--- title: "乳胶里一条接一条的径迹显出了 π 介子" description: "显微镜下的一串银颗粒，怎样分出了两种不同的粒子？" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/powell-pion-emulsion/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/particle-evidence/powell-pion-emulsion/" last_modified: "2026-10-24" --- [留下粒子经过的痕迹](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/#detectors) 粒子 · 实验 · 发现 # 乳胶里一条接一条的径迹显出了 π 介子 显微镜下的一串银颗粒，怎样分出了两种不同的粒子？ Sandbox Physics · 2026-10-24 诺奖贡献：1950-1 1. 让灵敏乳胶接受照射 2. 显影出银颗粒径迹 3. 跟踪停下来的初级粒子 4. 测量次级粒子的射程 次级径迹从初级粒子的终点出发，把两者连成一次事例。 ## 能在山上静静等待的探测器 1947 年，Bristol 的 Powell 小组在照相乳胶中发现：一个粒子停下来，终点竟接着长出另一条粒子径迹。Lattes、Muirhead、Occhialini 和 Powell 的报告，帮助确立了 π 介子，并把它和 μ 子分开。探测器用不着等粒子来时再按快门，它已经把经过的痕迹存进材料，等着研究者带回去显影。 乳胶是明胶里悬着大量细小的卤化银晶体。带电粒子走过，沿途影响这些晶体；化学显影再把受影响的晶体变成深色银颗粒，显微镜下就能连成一条线。普通胶片给了这个办法起点，但核乳胶还得提高灵敏度、增加厚度，才能保留足够长的粒子运动。 一块板可以放在高山上接受宇宙线照射，再运回实验室。海拔高，更容易接触尚未在大气中衰变的短寿命粒子。回到显微镜前，工作才进入细处：调焦到不同深度，一颗接一颗追下去，别把两条恰好相交的线认成一条。这些测量需要仔细的扫描，也需要能重复标定的乳胶。 来源：[1] [3] ## 跟到终点，再接着跟下去 关键不只是照片上多了一条线，而是两条线接在一个有意义的位置。初级粒子走到终点，次级粒子从那里出发。要把它认作新过程，研究者得量两段路线，不能只看有没有拐角。慢带电粒子临近停下时，单位距离损失的能量往往增大，颗粒也更密；它在材料中走到停止的总距离，叫射程。 1947 年后续报告列出四十例产生次级介子的过程，其中十一例次级粒子也停在乳胶里。完整的射程尤其有用：如果母粒子静止后按固定方式衰变，子粒子可能带着确定的能量出发，多次事例就会出现相近的子粒子射程。几条有共同特点的线，比一张孤立的奇怪照片更有说服力。 逐渐清楚的图像是：此前都被宽泛地叫作介子的粒子，实际有不同种类。π 介子能强烈参与核相互作用，也能衰变成 μ 子和中微子；μ 子则是宇宙线中早已熟悉的穿透成分。中微子不带电，它带走的那份能量也随之离开了可见径迹；照片记录的是衰变中的带电部分。 来源：[1] [2] [3] ## 颗粒路线要有可比较的尺度 路线长，不能直接读成质量大。射程同时取决于初始能量、粒子种类和材料。同一种粒子，出发快慢不同，也会在不同距离停下。研究者得把几种可量的特征放在一起，再和粒子在乳胶中减速的已知规律比较。 散射也是线索。沿途许多小碰撞把路线一点点打偏，偏得多少与动量和经过的材料有关。颗粒密度透露电离有多强，完整射程又给出另一种关系。几项信息联合起来，比凭“这条线更黑”或者“那条线更长”认粒子可靠得多。 这些量还得有共同的标定。同一批乳胶怎样制备、显影会让多少晶体留下银粒，都会影响比较。Powell 发展方法的工作因此包括材料本身，也包括怎样从材料中抽出可以重复测量的物理量。发现新粒子的那几条线，靠的正是这套更细的准备。 来源：[3] ## 熟悉的三段图像来自更灵敏的乳胶 许多介绍喜欢展示一条完整的衰变链：π 介子一段，μ 子一段，最后再伸出细细的电子线。这幅图很漂亮，却不能原样放回 1947 年最初发现的那块乳胶。能够记录末端电子的更灵敏乳胶，1948 年才出现。CERN 档案专门区分了后来这类完整照片和早期发现所用的乳胶。 材料的差别会改变研究者能看见什么。少了一条线，可能因为粒子中性，可能因为它出了有效体积，也可能因为乳胶对这类带电粒子不够灵敏。解释照片时，要先问拍下它的材料究竟能记录什么。乳胶改进之后，原本断在半路的故事才能继续追下去。 来源：[4] [3] ## 照相方法迎来 1950 年诺奖 1950 年诺奖表彰 Powell 对照相方法的发展，以及关于介子的发现。材料制备、高山曝光、显微扫描和物理解释一起完成了这件事。决定性的线索很具体：一个粒子走来、停下，另一个行为不同的粒子从那里出发，而且这种连接能在更多事例中重复找到。 来源：[3] 接着探索物理 ## 动手试相关模型 ### [读一次碰撞事例](https://sandboxphysics.com/zh/labs/particle-collider/) 点选弯曲径迹，观察它经过哪些探测层。 参数化生成器给出合成径迹与探测器信号。 ## 来源与阅读说明 1. [C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini and C. F. Powell, Processes involving charged mesons (1947)](https://doi.org/10.1038/159694a0) 五月报告给出产生次级介子的终止径迹，论文保留当时的粒子称呼。 2. [C. M. G. Lattes, G. P. S. Occhialini and C. F. Powell, Observations on the tracks of slow mesons in photographic emulsions (1947)](https://doi.org/10.1038/160453a0) 十月报告记述四十例次级介子事例，其中十一例次级粒子停在乳胶内。 3. [C. F. Powell, The photographic method and its application to problems in nuclear physics (1950)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/powell-lecture.pdf) Powell 说明乳胶发展，以及怎样用颗粒密度、射程和散射辨认粒子。 4. [CERN, Half a century ago the pion pioneers (1997)](https://repository.cern/records/rvcw5-r3n24) 档案指出，常见的完整三段衰变照片采用的是后来能记录电子的乳胶。 ## 顺着问题继续读 [Wilson 让电离留下看得见的路](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/wilson-cloud-chamber/) [粒子、探测器与物质的规则](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/) [Lenard 给阴极射线开了一扇窗](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/lenard-cathode-ray-window/) [Thomson 从阴极射线里找到共同的粒子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/thomson-electron-charge-mass/) [Wilson 让电离留下看得见的路](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/wilson-cloud-chamber/) [Bothe 和 Geiger 怎样认出同时发生的两个信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/bothe-coincidence-method/) [Blackett 和 Occhialini 让粒子触发自己的照片](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/blackett-counter-controlled-cloud-chamber/) [Glaser 让粒子经过的地方先沸腾](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/glaser-bubble-chamber/) [Alvarez 小组从成组径迹中找出短寿命粒子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/alvarez-resonance-events/) [Cherenkov 追出了蓝光与带电粒子的关系](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/cherenkov-light-cone/) [Charpak 把粒子的位置变成电信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/charpak-multiwire-chamber/)