Paschen-Back-Effekt

Aufspaltungen der Wasserstoffniveaus unter Einfluss eines Magnetfeldes.

Der Paschen-Back-Effekt beschreibt die Entkopplung von Spin- und Bahndrehimpulsen beim Anlegen eines starken magnetischen Feldes. Ein Spektrum mit anomalem Zeeman-Effekt (für Atome, die einen Gesamtspin S aufweisen) geht somit in die Form eines Spektrums mit normalem Zeeman-Effekt über.

In schwachen magnetischen Feldern werden aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung zunächst die Spindrehimpulse $\boldsymbol s_\mathrm{i}$ zu einem Gesamtspin $\boldsymbol S$ addiert und die Bahndrehimpulse $\boldsymbol l_i$ zu einem Gesamtbahndrehimpuls $\boldsymbol L$. Der Gesamtspin $\boldsymbol S$ und der Gesamtbahndrehimpuls $\boldsymbol L$ koppeln dann zu einem Gesamtdrehimpuls $\boldsymbol J$ mit $\boldsymbol J$ = $\boldsymbol L$ + $\boldsymbol S$. Dieser Gesamtdrehimpuls $\boldsymbol J$ präzediert um die Achse des angelegten Feldes. Die Auswahlregel $\Delta m_\mathrm{J} = 0, \Delta m_\mathrm{s} = \pm 1$ bestimmt dann die Form des Spektrums des anomalen Zeeman-Effekts.

Bei starken Magnetfeldern (B > 1 T) ist die Kopplung der magnetischen Momente an das angelegte Feld stärker als die Spin-Bahn-Kopplung, so dass der Gesamtspin $\boldsymbol S$ und der Gesamtbahndrehimpuls $\boldsymbol L$ nicht mehr zu $\boldsymbol J$ koppeln, sondern unabhängig voneinander um die Achse des angelegten Magnetfeldes präzedieren.

1921 beobachteten Friedrich Paschen (1865–1947) und Ernst Back (1881–1959), dass der anomale Zeeman-Effekt (für Systeme mit einem Gesamtspin S > 0) in den normalen Zeeman-Effekt (für Atome mit Gesamtspin S = 0) übergeht. Dies kann als Entkopplung von $\boldsymbol S$ und $\boldsymbol L$ verstanden werden, da der Einfluss des Gesamtspins bei fehlender Spin-Bahn-Kopplung verschwindet.