Atomová fyzika, vědecké studium struktury atomu, jeho energetických stavů a jeho interakcí s jinými částicemi a s elektrickými a magnetickými poli. Atomová fyzika se ukázala jako velkolepě úspěšná aplikace kvantové mechaniky, která je jedním ze základních kamenů moderní fyziky.
Představa, že záležitost je tvořena základními stavebními kameny, se datuje k starověkým Řekům, kteří spekulovali, že země, vzduch, oheň a voda mohou tvořit základní prvky, z nichž je fyzický svět konstruován. Také vyvinuli různé myšlenkové školy o konečné povaze hmoty. Snad nejpozoruhodnější byla atomistická škola založená starověkými Řeky Leucippusem z Milétu a Demokritem z Thrákie o asi 440 př.nl. Z čistě filozofických důvodů a bez výhod experimentálních důkazů vyvinuli představu, že hmota sestává z nerozdělitelných a nezničitelných atomů. Atomy jsou v neustálém pohybu okolní dutinou a vzájemně se srazí jako kulečníkové koule, podobně jako moderní kinetická teorie plynů. Nutnost prázdnoty (nebo vakua) mezi atomy však vyvolala nové otázky, na které nelze snadno odpovědět. Z tohoto důvodu Aristoteles a aténská škola tento atomistický obraz odmítli ve prospěch myšlenky, že záležitost je nepřetržitá. Myšlenka však přetrvávala a objevila se o 400 let později v spisech římského básníka Lucretiuse, v jeho díle De rerum natura (O povaze věcí).
Udělalo se jen málo pro to, aby se podpořila myšlenka, že hmota by mohla být tvořena drobnými částicemi do 17. století. Anglický fyzik Isaac Newton ve svém Principia Mathematica (1687) navrhl, že Boyleův zákon, který uvádí, že součin tlaku a objemu plynu je konstantní při stejné teplotě, lze vysvětlit, pokud se předpokládá, že plyn je složené z částic. V roce 1808 anglický chemik John Dalton navrhl, že každý prvek se skládá ze stejných atomů, a v roce 1811 italský fyzik Amedeo Avogadro předpokládal, že částice prvků mohou sestávat ze dvou nebo více atomů přilepených k sobě. Avogadro nazýval takové konglomerační molekuly a na základě experimentální práce předpokládal, že molekuly v plynu vodíku nebo kyslíku jsou tvořeny z párů atomů.
Během 19. století se zde rozvinula myšlenka omezeného počtu prvků, z nichž každý sestával z určitého typu atomu, který by se mohl kombinovat téměř neomezeným počtem způsobů, jak vytvářet chemické sloučeniny. V polovině století kinetická teorie plynů úspěšně přisoudila pohybům atomových a molekulárních částic takové jevy, jako je tlak a viskozita plynu. V roce 1895 vzrůstající váha chemických důkazů a úspěch kinetické teorie nezpochybnily, že atomy a molekuly jsou skutečné.
Vnitřní struktura atomu se však vyjasnila až na počátku 20. století díky práci britského fyzika Ernesta Rutherforda a jeho studentů. Až do Rutherfordova úsilí byl populárním modelem atomu takzvaný „švestkový puding“, obhajovaný anglickým fyzikem Josephem Johnem Thomsonem, který tvrdil, že každý atom se skládá z několika elektronů (švestek) vložených do gelu kladného náboje (pudink); celkový záporný náboj elektronů přesně vyrovnává celkový kladný náboj a vytváří atom, který je elektricky neutrální. Rutherford provedl řadu experimentů s rozptylem, které napadly Thomsonův model. Rutherford poznamenal, že když paprsek alfa částic (které jsou nyní známy jako jádra helia) zasáhl tenkou zlatou fólii, některé částice byly odkloněny dozadu. Tak velké výchylky nebyly v souladu s modelem švestkového pudinku.
Tato práce vedla k Rutherfordovu atomovému modelu, ve kterém je těžké jádro pozitivního náboje obklopeno oblakem lehkých elektronů. Jádro je složeno z pozitivně nabitých protonů a elektricky neutrálních neutronů, z nichž každý je přibližně 1 836krát hmotnější než elektron. Protože atomy jsou tak malé, musí být jejich vlastnosti odvozeny nepřímými experimentálními technikami. Hlavním z nich je spektroskopie, která se používá k měření a interpretaci elektromagnetického záření emitovaného nebo absorbovaného atomy při přechodu z jednoho energetického stavu do druhého. Každý chemický prvek vyzařuje energii na výrazných vlnových délkách, které odrážejí jejich atomovou strukturu. Pomocí postupů vlnové mechaniky mohou být energie atomů v různých energetických stavech a charakteristické vlnové délky, které emitují, vypočteny z určitých základních fyzikálních konstant - jmenovitě elektronové hmoty a náboje, rychlosti světla a Planckovy konstanty. Na základě těchto základních konstant mohou numerické předpovědi kvantové mechaniky odpovídat za většinu pozorovaných vlastností různých atomů. Zejména kvantová mechanika nabízí hluboké porozumění uspořádání prvků v periodické tabulce, například ukazuje, že prvky ve stejném sloupci tabulky by měly mít podobné vlastnosti.
V posledních letech revoluce v oblasti atomové fyziky změnila výkon a přesnost laserů. Na jedné straně lasery dramaticky zvýšily přesnost, se kterou lze měřit charakteristické vlnové délky atomů. Například moderní standardy času a frekvence jsou založeny na měření přechodových frekvencí v atomovém cesiu (viz atomové hodiny) a definice měřiče jako jednotky délky nyní souvisí s měřeními frekvence prostřednictvím rychlosti světla. Lasery navíc umožnily zcela nové technologie pro izolaci jednotlivých atomů v elektromagnetických pastích a jejich ochlazení na téměř absolutní nulu. Když atomy jsou přivedeny v podstatě k odpočinku v pasti, mohou podstoupit kvantový mechanický fázový přechod, aby vytvořily superfluid známý jako Bose-Einsteinova kondenzace, zatímco zůstávají ve formě zředěného plynu. V tomto novém stavu hmoty jsou všechny atomy ve stejném koherentním kvantovém stavu. V důsledku toho atomy ztrácejí svou individuální identitu a jejich kvantové mechanické vlnové vlastnosti se stávají dominantními. Celý kondenzát pak reaguje na vnější vlivy jako jediná souvislá entita (jako hejno ryb), namísto jako sbírka jednotlivých atomů. Nedávná práce ukázala, že koherentní paprsek atomů může být extrahován z pasti a vytvořit „atomový laser“ analogický s koherentním paprskem fotonů v konvenčním laseru. Atomový laser je stále v počátečním stadiu vývoje, ale má potenciál stát se klíčovým prvkem budoucích technologií pro výrobu mikroelektronických a jiných nanomateriálů.
