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Paschen-Back Effect

1912
  • Friedrich Paschen
  • Ernst Back

The Paschen-Back effect occurs in the presence of a very strong magnetic field, where the Zeeman splitting energy becomes much larger than the fine-structure (spin-orbit) interaction energy. In this regime, the coupling between orbital ([latex]\vec{L}[/latex]) and spin ([latex]\vec{S}[/latex]) angular momentum is broken. They precess independently around the strong external magnetic field, simplifying the spectral pattern.

The Paschen-Back effect represents the high-field limit of the Zeeman effect. While the anomalous Zeeman effect describes the case where the external field is a small perturbation compared to the internal spin-orbit coupling, the Paschen-Back effect describes the opposite scenario. When the magnetic field is sufficiently strong, the interaction energy of the magnetic moments with the external field, [Latex]\hat{H}_Z[/latex], dominates over the spin-orbit interaction Hamiltonian, [latex]\hat{H}_{SO}[/latex].

As a result, [latex]\vec{L}[/latex] and [latex]\vec{S}[/latex] are effectively decoupled. The ‘good’ quantum numbers are no longer J and [latex]m_J[/latex], but rather [latex]m_L[/latex] and [latex]m_S[/latex], which describe the independent projections of orbital and spin angular momentum along the magnetic field axis. The first-order energy shift is then given by the sum of the independent interactions: [latex]\Delta E = (m_L + g_s m_S)\mu_B B[/latex]. With [latex]g_s \approx 2[/latex], this leads to a splitting pattern that closely resembles the normal Zeeman triplet, although the fine-structure interaction, now treated as a small perturbation, causes each of these lines to have a small residual substructure. The transition from the anomalous Zeeman regime to the Paschen-Back regime is continuous and can be calculated using intermediate-field theories.

UNESCO Nomenclature: 2202
– Atomic and molecular physics

Typ

Physical Phenomenon

Unterbrechung

Inkremental

Verwendung

Nische/Spezialisiert

Vorläufersubstanzen

  • the Zeeman effect in weak fields
  • the theory of fine structure and spin-orbit coupling
  • the availability of techniques to generate strong magnetic fields, such as the Weiss electromagnet
  • advances in high-resolution Spektroskopie

Anwendungen

  • spectroscopy of astrophysical objects with immense magnetic fields (e.g., neutron stars, white dwarfs)
  • research in high-field physics laboratories using superconducting magnets
  • understanding atomic structure in extreme physical conditions
  • testing quantum electrodynamics (qed) in the strong-field limit
  • diagnostics for high-density plasmas

Patente:

NA

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