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자유 라디칼의 자기적 성질들은 그들의 검출과 연구에 중요한 수단을 제공한다. 쌍을 이룬 전자가 짝수 개 있는 분자는 반자성이므로 자석에 대해 약간 반발한다. 그러나 자유 라디칼은 홀전자의 스핀 때문에 상자성(常磁性 : 자석에 끌림)을 띠며, 나머지 짝을 이룬 전자 스핀들은 서로 효과적으로 상쇄된다.

가장 많이 연구되는 물질의 자기적 성질은 불균일한 자기장에서 물질의 반응을 나타내는 자화율(磁化率)이며, 물질의 상자성의 정도는 자기 쌍극자 모멘트로 나타내진다. 전자 하나를 갖는 모든 자유 라디칼들은 동일한 크기의 쌍극자 모멘트를 갖고 있으므로(1.73보어 마그네톤) 농도를 알고 있는 용액이나 고체상태에서의 자유 라디칼의 쌍극자 모멘트는 실험적으로 확인될 수 있다. 자화율 측정은 자유 라디칼을 가지고 실험적으로 확인되었다. 자화율 측정은 자유 라디칼의 존재와, 라디칼과 그들의 이합체 혹은 불균등화 반응의 생성물 사이의 평형 위치를 측정하는 데 이용할 수 있다. 이중 라디칼은 전자를 갖고 있지만 2개의 홀전자를 가지고 있으므로 상자성을 띤다. 산소분자(O₂)는 이런 종류의 가장 간단한 예이다. 전자상자성 공명분광법을 사용하면 자유 라디칼을 검출 및 연구할 수 있다. 양자역학에 따르면 자유 라디칼의 홀전자의 스핀은 자기장 내에서 오직 2가지 방향으로 존재할 수 있는데 자기장과 같은 방향이거나 반대 방향을 갖는다. 이들 두 방향은 에너지면에서 약간 차이가 있으며, 그 차는 자기장의 세기에 비례하는데 대부분의 전자는 낮은 에너지 방향을 갖는다. 자유 라디칼을 포함한 시료를 자기장 내에 놓고, 전자기파(매우 짧은 라디오파 영역)를 조사하면 낮은 에너지 방향을 갖는 분자는 홀수 개의 전자를 더 높은 에너지 상태로 전이시킬 수 있는 에너지에 해당하는 주파수의 전자기파를 흡수한다. 이 현상은 가장 간단한 경우에 상자성 공명흡수 스펙트럼에서 일어나며, 1개의 예리한 흡수선이 나타난다. 이 기술은 민감하여서, 10^-7 정도의 미량의 자유 라디칼도 검출할 수 있다. 많은 유기 라디칼들의 반응에서, 홀수 개의 전자와 분자 내에 다른 원자의 핵자기 모멘트(대부분 수소핵)의 상호작용은 에너지 준위를 더욱 복잡하게 하고, 일련의 선들로 이루어진 흡수스펙트럼을 만든다. 스펙트럼의 특성은 개개의 자유 라디칼을 확인할 수 있게 하고, 그들의 전자구조에 대한 정보도 제공한다.