페르미온

페르미온이란 자연을 구성하는 기본 입자를 두 종류로 나눌 때 페르미-디락 통계(Fermi-Dirac’s statistics)를 따르는 입자를 말한다. 상대론적 양자 역학을 발견한 디랙(Paul Dirac)이 이탈리아의 물리학자 페르미(Enrico Fermi)의 이름을 따서 페르미온(fermion)이라 명명하였으며, 페르미 입자라고도 불린다. 전자, 양성자, 중성자, 중간자, 중성미자, 소립자 등이 페르미 입자로 분류된다.

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페르미온은 1/2, 3/2 등 반정수의 스핀 양자수를 가지고 반 대칭의 파동함수로 기술되며, 파울리 배타 원리(Pauli’s principle)를 따른다. 즉, 하나의 양자 상태에 단 하나의 페르미 입자만 들어갈 수 있어 두 개 이상의 페르미온이 같은 양자 상태가 될 수 없다. 반대로 보존(boson)은 0, 1, 2 등 정수의 스핀 양자수를 가지고, 파울리 배타 원리를 따르지 않는다.

자연계의 페르미온은 크게 기본 페르미온과 복합 페르미온으로 나눌 수 있다. 표준 모델에 따르면 기본 페르미온으로는 쿼크(quarks)와 렙톤(leptons)을 들 수 있으며, 쿼크는 강한 상호작용(강력)의 영향을 받는 입자이고 렙톤은 그러한 상호작용을 받지 않아 자유롭게 존재하는 입자이다. 전자(electron)는 렙톤의 한 종류이다. 홀수 개의 페르미온은 복합 페르미온을 이루는데, 예를 들어 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{13}C }@@NAMATH_INLINE@@ 핵은 6개의 양성자와 7개의 중성자로 이루어진 복합 페르미온이고, 양성자는 2개 위(up) 쿼크와 1개 아래(down) 쿼크로 이루어져 있는 복성 페르미온이다.

어떤 원자나 분자가 보존인지 페르미온인지는 그에 속한 모든 입자를 고려하여 결정된다. 즉, 그 입자에 있는 전자, 양성자, 중성자를 모두 합한 수가 짝수이면 보존이고, 홀수이면 페르미온이다. 예를 들어 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{2}D }@@NAMATH_INLINE@@ 원자에는 전자 1개, 양성자 1개, 중성자 1개, 모두 3개가 있음으로 페르미온이다.