Atómová fyzika, vedecké štúdium štruktúry atómu, jeho energetických stavov a interakcií s inými časticami as elektrickými a magnetickými poľami. Atómová fyzika sa ukázala ako veľkolepo úspešná aplikácia kvantovej mechaniky, ktorá je jedným zo základných kameňov modernej fyziky.
Predstava, že záležitosť je tvorená základnými stavebnými kameňmi, sa datuje k starovekým Grékom, ktorí špekulovali, že zem, vzduch, oheň a voda môžu tvoriť základné prvky, z ktorých je fyzický svet postavený. Vyvinuli tiež rôzne školy myslenia o konečnej povahe hmoty. Asi najpozoruhodnejšou bola atomistická škola založená starými Grékmi Leucippusom z Milétu a Demokratom z Thrákie asi 440 pred nl. Z čisto filozofických dôvodov a bez prínosu experimentálnych dôkazov vyvinuli predstavu, že hmota pozostáva z nerozdeliteľných a nezničiteľných atómov. Atómy sú v neustálom pohybe okolitou dutinou a navzájom sa zrážajú ako biliardové gule, podobne ako moderná kinetická teória plynov. Avšak nevyhnutnosť medzery (alebo vákua) medzi atómami vyvolala nové otázky, na ktoré nebolo možné ľahko odpovedať. Z tohto dôvodu Aristoteles a aténska škola tento atomistický obraz zamietli v prospech myšlienky, že záležitosť je nepretržitá. Táto myšlienka však pretrvávala a objavila sa o 400 rokov neskôr v spisoch rímskeho básnika Lucretiusa v jeho diele De rerum natura (O povahe vecí).
Urobilo sa trochu viac pre to, aby sa presadila myšlienka, že hmota môže byť vyrobená z drobných častíc až do 17. storočia. Anglický fyzik Isaac Newton vo svojom Principia Mathematica (1687) navrhol, aby Boyleov zákon, ktorý tvrdí, že súčin tlaku a objemu plynu je konštantný pri rovnakej teplote, mohol byť vysvetlený, ak sa predpokladá, že plyn je zložené z častíc. V roku 1808 anglický chemik John Dalton navrhol, aby každý prvok pozostával z rovnakých atómov, av roku 1811 taliansky fyzik Amedeo Avogadro predpokladal, že častice prvkov môžu pozostávať z dvoch alebo viacerých atómov zlepených dohromady. Avogadro nazýval takéto konglomeračné molekuly a na základe experimentálnej práce predpokladal, že molekuly v plyne vodíka alebo kyslíka sú tvorené z párov atómov.
V priebehu 19. storočia sa rozvinula myšlienka obmedzeného počtu prvkov, z ktorých každý pozostáva z konkrétneho typu atómu, ktorý by sa mohol kombinovať takmer neobmedzeným počtom spôsobov tvorby chemických zlúčenín. V polovici storočia kinetická teória plynov úspešne prisúdila pohybom atómových a molekulárnych častíc také javy, ako je tlak a viskozita plynu. V roku 1895 narastajúca váha chemických dôkazov a úspech kinetickej teórie nenechali žiadne pochybnosti o tom, že atómy a molekuly sú skutočné.
Vnútorná štruktúra atómu sa však vyjasnila až začiatkom 20. storočia prácou britského fyzika Ernesta Rutherforda a jeho študentov. Až do Rutherfordovho úsilia bol populárnym modelom atómu tzv. „Slivkový puding“, ktorý presadzoval anglický fyzik Joseph John Thomson, ktorý tvrdil, že každý atóm pozostáva z množstva elektrónov (sliviek) vložených do gélu. kladného náboja (puding); celkový záporný náboj elektrónov presne vyvažuje celkový kladný náboj, čím vzniká atóm, ktorý je elektricky neutrálny. Rutherford uskutočnil sériu experimentov s rozptylom, ktoré napadli Thomsonov model. Rutherford poznamenal, že keď lúč alfa častíc (ktoré sú dnes známe ako jadrá hélia) zasiahli tenkú zlatú fóliu, niektoré častice sa odklonili dozadu. Takéto veľké priehyby neboli v súlade s modrom slivkového pudingu.
Táto práca viedla k Rutherfordovmu atómovému modelu, v ktorom je ťažké jadro pozitívneho náboja obklopené oblakom ľahkých elektrónov. Jadro je zložené z pozitívne nabitých protónov a elektricky neutrálnych neutrónov, z ktorých každý je približne 1 836-krát väčší ako elektrón. Pretože atómy sú také malé, ich vlastnosti musia byť odvodené nepriamymi experimentálnymi technikami. Hlavnou z nich je spektroskopia, ktorá sa používa na meranie a interpretáciu elektromagnetického žiarenia emitovaného alebo absorbovaného atómami pri prechode z jedného energetického stavu do druhého. Každý chemický prvok vyžaruje energiu pri výrazných vlnových dĺžkach, ktoré odrážajú ich atómovú štruktúru. Prostredníctvom postupov vlnovej mechaniky sa môžu atómy atómov v rôznych energetických stavoch a charakteristické vlnové dĺžky, ktoré emitujú, vypočítať z určitých základných fyzikálnych konštánt - menovite elektrónovej hmoty a náboja, rýchlosti svetla a Planckovej konštanty. Na základe týchto základných konštánt môžu numerické predpovede kvantovej mechaniky zodpovedať za väčšinu pozorovaných vlastností rôznych atómov. Kvantová mechanika predovšetkým umožňuje hlboké pochopenie usporiadania prvkov v periodickej tabuľke, napríklad ukazuje, že prvky v rovnakom stĺpci tabuľky by mali mať podobné vlastnosti.
V posledných rokoch sila a presnosť laserov spôsobila revolúciu v oblasti atómovej fyziky. Na jednej strane lasery dramaticky zvýšili presnosť, s ktorou je možné merať charakteristické vlnové dĺžky atómov. Napríklad moderné štandardy času a frekvencie sú založené na meraniach prechodových frekvencií v atómovom céziu (pozri atómové hodiny) a definícia merača ako jednotky dĺžky sa teraz vzťahuje na merania frekvencie prostredníctvom rýchlosti svetla. Lasery okrem toho umožnili úplne nové technológie na izoláciu jednotlivých atómov v elektromagnetických pascich a ich ochladenie na takmer nulovú hodnotu. Ak sa atómy dostanú v podstate do pasce, môžu prejsť kvantovým mechanickým fázovým prechodom za vzniku superfluidu známeho ako Bose-Einsteinova kondenzácia, zatiaľ čo zostávajú vo forme zriedeného plynu. V tomto novom stave hmoty sú všetky atómy v rovnakom koherentnom kvantovom stave. V dôsledku toho atómy strácajú svoju individuálnu identitu a ich kvantové mechanické vlnové vlastnosti sa stávajú dominantnými. Celý kondenzát potom reaguje na vonkajšie vplyvy ako jediná súvislá entita (ako húf rýb), nie ako súbor jednotlivých atómov. Nedávna práca ukázala, že koherentný lúč atómov môže byť extrahovaný z pasce za vzniku „atómového lasera“ analogického s koherentným lúčom fotónov v konvenčnom laseri. Atómový laser je stále v počiatočnom štádiu vývoja, má však potenciál stať sa kľúčovým prvkom budúcich technológií na výrobu mikroelektronických a iných nanomateriálov.
