Les chercheurs Uhlenbeck et Goudsmit ont formalisé la notion de spin. Selon eux, il s’agit d’un moment angulaire intrinsèque associé à la rotation d’une particule sur elle-même. Cela permet de comprendre les structures en multiplets observés lors de l’enregistrement des spectres optiques des atomes. En effet, en présence d’un champ magnétique externe, les niveaux d’énergies des atomes peuvent se séparer en plusieurs sous-niveaux. L’effet Zeeman, décrit bien une telle séparation. Il faut pour cela que la perturbation reste petite comparée à la différence d’énergie entre les niveaux non perturbés. Cette condition se trouve satisfaite dès que les champs magnétiques restent suffisamment faibles. Un modèle vectoriel du moment angulaire permet de comprendre cela (voir figure ci-dessus).

Que se passe-t-il si le couplage entre le moment angulaire orbital L et le moment angulaire de spin S devient plus fort que le couplage avec le champ magnétique extérieur ? Autrement dit, si l’on se trouve dans une situation où le couplage spin-orbite domine. Dans ce cas, on peut considérer que le moment orbital total, J = L + S, effectue un mouvement de précession autour de la direction définie par le champ magnétique. Toutefois, si le champ magnétique est suffisamment fort, il casse le couplage existant entre le moment cinétique orbital et celui de spin. Ceci a pour effet de changer l’allure du spectre en multiplets. C’est ce que l’on appelle l’effet Paschen-Back. Dans ce cas, les moments L et S se couplent chacun fortement au champ magnétique extérieur. Il s’ensuit que chaque vecteur effectue un mouvement de précession autour du champ indépendamment l’un de l’autre.