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Effet Paschen-Back

1912
  • Friedrich Paschen
  • Ernst Back
Un physicien réalise des expériences de spectroscopie dans un champ magnétique intense.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

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
- Physique atomique et moléculaire

Taper

Phénomène physique

Perturbation

Incrémentale

Usage

Créneau/spécialité

Précurseurs

  • l'effet Zeeman en champs faibles
  • la théorie de la structure fine et du couplage spin-orbite
  • la disponibilité de techniques permettant de générer des champs magnétiques puissants, comme l'électroaimant Weiss
  • progrès de la spectroscopie à haute résolution

Applications

  • spectroscopie d'objets astrophysiques dotés de champs magnétiques immenses (par exemple, étoiles à neutrons, naines blanches)
  • recherche dans les laboratoires de physique des champs élevés utilisant des aimants supraconducteurs
  • comprendre la structure atomique dans des conditions physiques extrêmes
  • test de l'électrodynamique quantique (QFD) dans la limite du champ fort
  • diagnostics pour plasmas haute densité

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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Related to: Paschen-Back effect, strong magnetic field, fine structure, spin-orbit decoupling, spectroscopy, atomic physics, high-field limit, quantum mechanics, energy levels, decoupling.

Contexte historique

Effet Paschen-Back

1907
1909
1910
1912
1915
1915-11
1916
1907
1909
1910
1911-04-08
1913
1915
1916
1917

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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