Per descrivere il fenomeno della risonanza magnetica in diagnostica per immagini saranno utilizzati entrambi i modelli sopra riportati, privilegiando di volta in volta il più semplice ai fini della trattazione.Tra i nuclei con numero dispari di protoni, l'idrogeno, che possiede un solo protone, è quello più abbondante nell'organismo umano ed è, per questo motivo, proprio l'idrogeno l'elemento su cui si fonda la base fisica della risonanza magnetica intesa come esame di imaging.Per le sue proprietà magnetiche di nucleo con spin, il protone può essere assimilato ad un piccolo dipolo magnetico.In condizioni naturali, i vari dipoli nucleari presenti nel corpo umano sono orientati casualmente: gli organismi viventi non possiedono una magnetizzazione macroscopica netta.Quando però il corpo umano viene immerso in un campo magnetico statico esterno, i vari dipoli tenderanno ad orientarsi lungo la direzione del campo magnetico, determinando così la "magnetizzazione" dell'organismo.La differenza nel numero di spin orientati nelle due direzioni è minima, ma sufficiente per determinare una magnetizzazione macroscopica, "longitudinale", orientata secondo la direzione parallela al campo magnetico esterno.Pertanto, l'applicazione di un campo magnetico esterno determina l'allineamento degli spin dei protoni lungo la direzione (parallela o antiparallela) del campo magnetico e la separazione dei livelli energetici.Per ottenere il segnale utile all'imaging, è necessario perturbare questo equilibrio, andando a interagire con il sistema dei protoni e cedendo loro energia. Ciò avviene attraverso l'utilizzo di una radiofrequenza esterna.La cessione di energia al sistema comporta due importanti conseguenze:1) si riequilibra il numero degli spin (protoni) in direzione parallela ed antiparallela, abbattendo completamente la magnetizzazione longitudinale indotta dal campo magnetico esterno e causata dall'eccesso di spin orientati in direzione parallela;2) sotto l'impulso energetico, i protoni precedono "in fase", cioè sincronizzano il loro moto di precessione sul piano assiale; in questa fase si crea una nuova magnetizzazione, detta "magnetizzazione trasversale", che può essere rilevata e viene descritta da una variabile, la "densità protonica", rappresentante il numero di spin in risonanza per unità di volume.Quando viene interrotto l'impulso esterno di radiofrequenza, si verifica una cessione di energia da parte dei protoni nei vari tessuti sotto forma di onde elettromagnetiche che possono essere rilevate mediante un'antenna.Questa cessione di energia corrisponde al segnale RM.Si avranno a questo punto due fenomeni diversi ma contemporanei:1) la perdita della coerenza di fase sul piano trasversale e quindi della magnetizzazione trasversale; ciò è descritto da una variabile: il tempo di rilassamento T2, che è espressione delle interazioni spin-spin e corrisponde alla perdita di magnetizzazione trasversale fino al 37% del valore originario;2) il ripristino dell'equilibrio tra spin in posizione parallela e antiparallela, con il progressivo recupero della magnetizzazione longitudinale; il fenomeno è definito tempo di rilassamento T1, e corrisponde al recupero del 63% della magnetizzazione longitudinale originaria, ed è espressione degli scambi termodinamici tra spin e l'ambiente molecolare circostante i protoni in esame.La rilevanza del fenomeno sta nel fatto che sia il tempo impiegato per ripristinare l'equilibrio, sia quello durante il quale viene emesso il segnale elettromagnetico, sono caratteristici dei differenti protoni, ma anche, e soprattutto, del microambiente che li circonda, e vengono definiti proprio dalle variabili T1 e T2.