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굳은 격자(결정체)에서 원자의 움직임이 없을 때 NMR를 이용하면 다른 수단으로는 알아낼 수 없는 분자구조를 결정할 수 있다.

많은 고체는 저온에서도 원자의 확산과 원자 무리들의 회전운동을 한다. 이와 같은 운동이 NMR의 흡수 피크의 모양에 영향을 준다. 이와 같은 효과를 온도에 대한 함수로 연구를 하면 여러 가지의 물리적인 측정을 보강해줄 수 있다. 금속에서 원자핵은 전도전자(원자에 구속되지 않아서 금속 내를 자유롭게 운동할 수 있는 전자)의 스핀과 자기장 사이의 상호작용에 의한 영향을 받는다. 이와 같은 상황에 의해서 동일한 핵이 절연체(絶緣體)에 있을 때에 관측되는 공명주파수와는 다른 주파수를 보이게 된다.

이와 같은 소위 금속이동(metallic shift)을 이용하면 자화율(磁化率), 양자역학에서 에너지 상태를 나타내는 파동함수, 금속에서 전도전자의 상태 밀도 등에 대한 유용한 정보를 알아낼 수 있다. 초전도체에서 NMR 스펙트럼의 피크들의 형태를 이용하여 초전도체 내부의 자기장의 분포와 자기장의 침투에 대한 정보를 알 수 있다. 강자성체(强磁性體)나 반강자성체(쌍을 형성하지 않는 전자들이 있는 결정)에서 NMR는 규칙적으로 정렬된 전자의 스핀의 배열에 의해서 형성된 내부 자기장의 영향을 받는다. 강자성체에서 공명주파수의 변이는 격자 자화의 정도를 나타내며, 반강자성체에서는 각각의 반강자성체 부격자(副格子)를 개별적으로 자화시키는 최소한 2개의 주파수 이동을 나타내는데 이와 같은 결과는 통상의 자기 측정으로는 얻을 수 없는 결과이다.

NMR 스펙트럼에 의하면 어떤 원자핵에는 전기 4중극 모멘트(2개의 전기 쌍극자가 특정한 배열을 한 것과 동일한 전하 분포를 가짐)가 존재해서 핵의 위치에 존재하는 전기장과 상호작용함을 알려준다(4중극). 이와 같은 상호작용을 이용하여 핵 주위의 전하의 미시적 분포에 대한 정보를 알아낼 수 있다.

액체의 핵자기 공명선이 특별히 날카로운 형태를 갖는다는 사실의 가장 중요한 결과로는 화학적 이동, 즉 같은 계열 내의 원자핵 스핀이 서로 다른 분자 환경에 존재할 때 생기는 NMR 선의 분리에 대한 측정 가능성을 제시한 것이다. 이와 같은 화학적 이동의 물리적인 이유는 다음과 같다. 외부의 자기장에 의해서 원자의 닫힌 전자 껍질에 분극(分極)이 생기고 자기장의 세기에 비례하는 약한 자기장이 발생하게 되어서, 전자가 둘러싸고 있지 않은 상태의 핵인 알몸원자핵에 대한 위치에 준하여 NMR선이 이동된다.

알몸원자핵 자체는 결코 관찰되지 않지만 다른 분자 자리에 위치한 원자에 대응하는 원자 반자성체 이동(atomic diamagnetic shift)은 약간씩 차이나며, 그 차이에 의해서 화학적 이동이 발생한다. 예를 들어 CH₃－CH₂－OH의 분자식을 갖는 에틸알코올의 양성자 NMR 스펙트럼에는 3개의 피크가 나타나는데 각각의 질량비 또는 강도비는 3：2：1이 된다.

이보다 좀더 복잡한 분자에서 이와 같은 스펙트럼은 많은 화학적 정보를 갖고 있으며 미지의 분자 구조를 결정할 수 있게 한다.

스펙트럼선의 다중도는 핵 스핀 사이의 상호작용에 의해 증가한다. 액체의 운동 협소화와 관련해서 앞에서 언급한 바와 같이 대개의 자기 쌍극자 상호작용은 분자의 운동에 의해서 감쇠되어 NMR 스펙트럼을 분리하지 않는다. 핵의 스핀 사이에 전자에 의한 간접적인 상호작용이 일어나서 특정한 핵 스핀의 공명선을 여러 개의 성분으로 분리시키는 현상이 존재한다(원자핵).

고분해도 핵자기공명은 유기화학과 생화학 분야에서 가장 중요한 도구 중의 하나가 되었다.

실험적 측면에서 보면 장비가 갖추어야 할 조건은 매우 까다롭다. 주기 중 일부에 대한 공명선의 고유한 선폭을 얻기 위해서는 시료상에서 자기장의 세기의 안정도와 균일도가 1/10⁸의 정밀도를 가져야 한다. 균일하며 안정되어 있는 자기장을 가할 수 있는 특수자석, 시료상의 자기적 불균일성을 줄이기 위해 시료를 회전시킬 수 있는 기구, 정밀한 무선주파 검출장비 등은 상업적으로 구입할 수가 있다.

또한 초전도 자석을 이용해 고강도(100kG 이상)의 자기장을 이용할 수 있게 되어 화학적 이동의 크기와 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 증대시켜 해상도를 향상시켰다.

자기장 안에서의 양성자 스핀의 세차운동 주파수를 측정함으로써 매우 정확한 자기장의 세기를 측정할 수 있어서 널리 사용되고 있다. 지구 자기장과 같은 저강도의 자기장에서 NMR 신호는 핵의 자화 정도가 작기 때문에 매우 약한 신호가 되는데 특수한 장비를 이용하면 이 신호를 100배나 1,000배로 증폭할 수 있다.

이와 같은 방식을 이용하는 현재의 휴대용 자력계(磁力計)는 자기장의 세기를 1/1,000,000의 정확도로 측정할 수 있으며 10^－8G 정도의 자기장 강도 변화를 감지할 수 있다. 이와 같은 자력계는 지구나 우주에서 자기장을 직접적으로 측정하는 것 이외에도 수중의 잠수함, 눈에 매몰되어 있는 사람, 고고학적인 유물, 광물의 광상(鑛床) 등에 의해서 자기장이 공간적·시간적으로 변동하는 것을 측정하는 데도 유용하게 이용한다.