Momen magnetik
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Momen dipol magnetik elektron dan Momen magnetik nuklir
Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku seperti ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya memiliki spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga memiliki momentum sudut orbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut pula oleh karena spin nuklirnya sendiri.[69]
Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.[70]
Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.[70][71]
Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.[72][73]
