Ατομική φυσική, η επιστημονική μελέτη της δομής του ατόμου, των ενεργειακών του καταστάσεων και των αλληλεπιδράσεών του με άλλα σωματίδια και με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Η ατομική φυσική έχει αποδειχθεί μια θεαματικά επιτυχημένη εφαρμογή της κβαντικής μηχανικής, η οποία είναι ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της σύγχρονης φυσικής.
Η αντίληψη ότι η ύλη αποτελείται από θεμελιώδη δομικά στοιχεία χρονολογείται από τους αρχαίους Έλληνες, οι οποίοι εικάζουν ότι η γη, ο αέρας, η φωτιά και το νερό μπορεί να σχηματίσουν τα βασικά στοιχεία από τα οποία κατασκευάζεται ο φυσικός κόσμος. Ανέπτυξαν επίσης διάφορες σχολές σκέψης για την απόλυτη φύση της ύλης. Ίσως η πιο αξιοσημείωτη ήταν η ατομική σχολή που ιδρύθηκε από τους αρχαίους Έλληνες Λευκίππους της Μίλητου και Δημοκρατίας της Θράκης περίπου το 440 π.Χ. Για καθαρά φιλοσοφικούς λόγους, και χωρίς όφελος πειραματικών στοιχείων, ανέπτυξαν την ιδέα ότι η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα και άφθαρτα άτομα. Τα άτομα κινούνται ασταμάτητα στο γύρω κενό και συγκρούονται μεταξύ τους όπως μπάλες μπιλιάρδου, σαν τη σύγχρονη κινητική θεωρία των αερίων. Ωστόσο, η ανάγκη για κενό (ή κενό) μεταξύ των ατόμων έθεσε νέα ερωτήματα που δεν μπορούσαν εύκολα να απαντηθούν. Για αυτόν τον λόγο, η ατομική εικόνα απορρίφθηκε από τον Αριστοτέλη και την αθηναϊκή σχολή υπέρ της αντίληψης ότι η ύλη είναι συνεχής. Ωστόσο, η ιδέα παρέμεινε και επανεμφανίστηκε 400 χρόνια αργότερα στα γραπτά του Ρωμαίου ποιητή Λουκρέτιου, στο έργο του De rerum natura (On the Nature of Things).
Λίγα περισσότερα έγιναν για να προωθηθεί η ιδέα ότι η ύλη θα μπορούσε να κατασκευαστεί από μικροσκοπικά σωματίδια μέχρι τον 17ο αιώνα. Ο Άγγλος φυσικός Isaac Newton, στο Principia Mathematica (1687), πρότεινε ότι ο νόμος του Boyle, ο οποίος αναφέρει ότι το προϊόν της πίεσης και του όγκου ενός αερίου είναι σταθερό στην ίδια θερμοκρασία, θα μπορούσε να εξηγηθεί εάν υποθέσουμε ότι το αέριο είναι αποτελείται από σωματίδια. Το 1808 ο Άγγλος χημικός John Dalton πρότεινε ότι κάθε στοιχείο αποτελείται από πανομοιότυπα άτομα και το 1811 ο Ιταλός φυσικός Amedeo Avogadro υπέθεσε ότι τα σωματίδια των στοιχείων μπορεί να αποτελούνται από δύο ή περισσότερα άτομα κολλημένα μεταξύ τους. Ο Avogadro ονόμασε τέτοια μόρια συσσώρευσης και, βάσει πειραματικής εργασίας, υπέθεσε ότι τα μόρια σε ένα αέριο υδρογόνο ή οξυγόνο σχηματίζονται από ζεύγη ατόμων.
Κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα αναπτύχθηκε η ιδέα ενός περιορισμένου αριθμού στοιχείων, καθένα από τα οποία αποτελείται από έναν συγκεκριμένο τύπο ατόμου, που θα μπορούσε να συνδυαστεί με έναν σχεδόν απεριόριστο αριθμό τρόπων σχηματισμού χημικών ενώσεων. Στα μέσα του αιώνα, η κινητική θεωρία των αερίων απέδωσε επιτυχώς τέτοια φαινόμενα όπως η πίεση και το ιξώδες ενός αερίου στις κινήσεις των ατομικών και μοριακών σωματιδίων. Μέχρι το 1895, το αυξανόμενο βάρος των χημικών στοιχείων και η επιτυχία της κινητικής θεωρίας άφησαν μικρή αμφιβολία ότι τα άτομα και τα μόρια ήταν πραγματικά.
Η εσωτερική δομή του ατόμου, ωστόσο, έγινε σαφής μόνο στις αρχές του 20ού αιώνα με το έργο του Βρετανού φυσικού Ernest Rutherford και των μαθητών του. Μέχρι τις προσπάθειες του Rutherford, ένα δημοφιλές μοντέλο του ατόμου ήταν το λεγόμενο μοντέλο «πουτίγκα δαμάσκηνου», το οποίο υποστήριξε ο Άγγλος φυσικός Joseph John Thomson, ο οποίος έκρινε ότι κάθε άτομο αποτελείται από έναν αριθμό ηλεκτρονίων (δαμάσκηνα) που είναι ενσωματωμένα σε ένα τζελ θετικής φόρτισης (πουτίγκα) · το συνολικό αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων εξισορροπεί ακριβώς το συνολικό θετικό φορτίο, αποδίδοντας ένα άτομο που είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Ο Rutherford πραγματοποίησε μια σειρά πειραμάτων σκέδασης που αμφισβήτησαν το μοντέλο του Thomson. Ο Ράδερφορντ παρατήρησε ότι όταν μια δέσμη σωματιδίων άλφα (που τώρα είναι γνωστό ότι είναι πυρήνες ηλίου) χτύπησε ένα λεπτό φύλλο χρυσού, μερικά από τα σωματίδια εκτροπή προς τα πίσω. Τέτοιες μεγάλες εκτροπές ήταν ασυνεπείς με το μοντέλο δαμάσκηνου.
Αυτή η εργασία οδήγησε στο ατομικό μοντέλο του Rutherford, στο οποίο ένας βαρύς πυρήνας θετικού φορτίου περιβάλλεται από ένα σύννεφο ελαφριών ηλεκτρονίων. Ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια, καθένα από τα οποία είναι περίπου 1.836 φορές μεγαλύτερο από το ηλεκτρόνιο. Επειδή τα άτομα είναι τόσο λεπτά, οι ιδιότητές τους πρέπει να συναχθούν με έμμεσες πειραματικές τεχνικές. Το κύριο μεταξύ αυτών είναι η φασματοσκοπία, η οποία χρησιμοποιείται για τη μέτρηση και την ερμηνεία της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται ή απορροφάται από άτομα καθώς υφίστανται μεταβάσεις από τη μία ενεργειακή κατάσταση στην άλλη. Κάθε χημικό στοιχείο εκπέμπει ενέργεια σε διαφορετικά μήκη κύματος, τα οποία αντικατοπτρίζουν την ατομική τους δομή. Μέσω των διαδικασιών μηχανικής κυμάτων, οι ενέργειες των ατόμων σε διάφορες ενεργειακές καταστάσεις και τα χαρακτηριστικά μήκη κύματος που εκπέμπουν μπορούν να υπολογιστούν από ορισμένες θεμελιώδεις φυσικές σταθερές - δηλαδή, τη μάζα και το φορτίο ηλεκτρονίων, την ταχύτητα του φωτός και τη σταθερά του Planck. Με βάση αυτές τις θεμελιώδεις σταθερές, οι αριθμητικές προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής μπορούν να εξηγήσουν τις περισσότερες από τις παρατηρούμενες ιδιότητες διαφορετικών ατόμων. Συγκεκριμένα, η κβαντική μηχανική προσφέρει μια βαθιά κατανόηση της διάταξης των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα, δείχνοντας, για παράδειγμα, ότι τα στοιχεία στην ίδια στήλη του πίνακα πρέπει να έχουν παρόμοιες ιδιότητες.
Τα τελευταία χρόνια, η ισχύς και η ακρίβεια των λέιζερ έχουν φέρει επανάσταση στον τομέα της ατομικής φυσικής. Από τη μία πλευρά, τα λέιζερ έχουν αυξήσει δραματικά την ακρίβεια με την οποία μπορούν να μετρηθούν τα χαρακτηριστικά μήκη κύματος των ατόμων. Για παράδειγμα, τα σύγχρονα πρότυπα χρόνου και συχνότητας βασίζονται σε μετρήσεις των συχνοτήτων μετάβασης σε ατομικό καίσιο (βλ. Ατομικό ρολόι) και ο ορισμός του μετρητή ως μονάδα μήκους σχετίζεται τώρα με μετρήσεις συχνότητας μέσω της ταχύτητας του φωτός. Επιπλέον, τα λέιζερ έχουν καταστήσει δυνατές εντελώς νέες τεχνολογίες για την απομόνωση μεμονωμένων ατόμων σε ηλεκτρομαγνητικές παγίδες και την ψύξη τους στο σχεδόν απόλυτο μηδέν. Όταν τα άτομα μεταφέρονται ουσιαστικά για να παραμείνουν στην παγίδα, μπορούν να υποστούν μια κβαντική μετάβαση φάσης μηχανικής για να σχηματίσουν ένα υπερρευστό γνωστό ως συμπύκνωση Bose-Einstein, ενώ παραμένουν υπό τη μορφή ενός αραιού αερίου. Σε αυτήν τη νέα κατάσταση της ύλης, όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια συνεκτική κβαντική κατάσταση. Κατά συνέπεια, τα άτομα χάνουν τις ατομικές τους ταυτότητες και κυριαρχούν οι κβαντικές μηχανικές ιδιότητές τους. Στη συνέχεια, ολόκληρο το συμπύκνωμα ανταποκρίνεται σε εξωτερικές επιρροές ως μια ενιαία συνεκτική οντότητα (όπως μια σχολή ψαριών), αντί ως μια συλλογή μεμονωμένων ατόμων. Πρόσφατες εργασίες έδειξαν ότι μια συνεκτική δέσμη ατόμων μπορεί να εξαχθεί από την παγίδα για να σχηματίσει ένα «λέιζερ ατόμων» ανάλογο με τη συνεκτική δέσμη φωτονίων σε ένα συμβατικό λέιζερ. Το atom laser βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο ανάπτυξης, αλλά έχει τη δυνατότητα να αποτελέσει βασικό στοιχείο μελλοντικών τεχνολογιών για την κατασκευή μικροηλεκτρονικών και άλλων συσκευών νανοκλίμακας.
