大家都知道指南针，无论你把指针拨到什么位置，只要一松手，指针肯定指向正南方。实际上指南针就是一个小磁场，而地球的磁场是个大磁场，当把一个小磁场放置到一个大磁场环境中，小磁场的磁力线将与大磁场的磁力线趋于平行。
与之类似，进入主磁场后，人体组织中的质子产生的小磁场也不再是杂乱无章，而是呈有规律排列（图2-2-1B）。从图中可以看出，进入主磁场后，质子产生的小磁场有两种排列方式，一种是与主磁场方向平行且方向相同，另一种是与主磁场平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。为什么有的质子产生的小核磁与主磁场平行同向，而另一些质子产生的小核磁却与主磁场平行反向呢？这里所涉及的量子物理学知识非常复杂，而对于磁共振成像仪的临床应用者和研究者来说，可以简单地理解为：这两种核磁状态代表质子的能量差别，平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；平行反向的质子处于高能级，能够对抗主磁场的作用，因此其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反（图2-2-2）。由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子，进入主磁场后，人体组织内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量（图2-2-1B）。
图2-2-2 处于不同能级氢质子的核磁状态不同
图像右侧粗黑箭代表主磁场方向。进入主磁场后，氢质子的核磁状态有两种形式，处于高能级氢质子（E＋）的磁化矢量与主磁场平行但方向相反；而处于低能级氢质子（E-）的磁化矢量与主磁场平行且同方向。处于低能级的氢质子略多于处于高能级的氢质子
进入主磁场后处于低能级的氢质子仅比处于高能级的氢质子多出数个ppm（1ppm为百万分之一），而磁共振成像利用的就是多出来的这少部分氢质子，因此实际上磁共振信号是非常微弱的。进入主磁场后低能级氢质子比高能级氢质子多出的量将受温度、主磁场强度等因素的影响（图2-2-3）。从图中可以看出，随着温度的升高，处于低能级比处于高能级多出的氢质子将减少。对于在体组织来说，其温度是相对稳定的，因此低能级比高能级多出的氢质子的量主要受主磁场强度的影响，随着主磁场强度的升高，多出氢质子的量将几乎成比例增多，磁共振成像时可以利用的有效成像氢质子就增多，磁共振信号将增高，这就是高场强磁共振图像之所以信噪比较高的主要原因。
图2-2-3 温度及主磁场强度对质子核磁状态的影响
所有图中方框中的小箭头代表氢质子自旋产生的小核磁的方向，方框左侧细箭代表主磁场方向，方框右侧的粗箭代表进入主磁场后质子群产生的宏观纵向磁化矢量。图A表示在绝对温度（T＝0K）时，即便外磁场强度较弱（图中B＝0．1T），方框中所有质子的小核磁均与主磁场方向相同，于是产生非常强大的宏观纵向磁化矢量（粗箭M）；图B、C、D均表示在室温下（T＝300K），图B示没有外磁场的情况下，方框中的质子的小核磁随机无序排列，磁化矢量相互抵消，没有宏观磁化矢量产生。图C示当主磁场强度为0．1T时，处于低能级的氢质子要比处于高能级的氢质子多1ppm（ppm为百万分之几），这一部分氢质子磁化矢量相互叠加，形成一个宏观纵向磁化矢量（粗箭M）。图D示当把主磁场强度增加到0．5T，处于低能级的氢质子要比处于高能级的氢质子多5ppm，这些氢质子磁化矢量相互叠加，将形成一个更大宏观纵向磁化矢量（粗箭M）
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