Fizyka atomowa, naukowe badania struktury atomu, jego stanów energetycznych i jego interakcji z innymi cząsteczkami oraz z polami elektrycznymi i magnetycznymi. Fizyka atomowa okazała się spektakularnie skutecznym zastosowaniem mechaniki kwantowej, która jest jednym z fundamentów współczesnej fizyki.
Pojęcie, że materia składa się z podstawowych elementów budulcowych, datuje się od starożytnych Greków, którzy spekulowali, że ziemia, powietrze, ogień i woda mogą tworzyć podstawowe elementy, z których zbudowany jest świat fizyczny. Opracowali także różne szkoły myślenia o ostatecznej naturze materii. Być może najbardziej niezwykła była szkoła atomistyczna założona przez starożytnych Greków Leucippus z Miletu i Demokryta z Tracji około 440 rpne. Z czysto filozoficznych powodów i bez korzyści z dowodów eksperymentalnych rozwinęli oni pogląd, że materia składa się z niepodzielnych i niezniszczalnych atomów. Atomy są w ciągłym ruchu przez otaczającą pustkę i zderzają się ze sobą jak kule bilardowe, podobnie jak współczesna kinetyczna teoria gazów. Konieczność pustki (lub próżni) między atomami wywołała jednak nowe pytania, na które nie można było łatwo odpowiedzieć. Z tego powodu obraz atomistyczny został odrzucony przez Arystotelesa i szkołę ateńską na korzyść poglądu, że materia jest ciągła. Pomysł ten jednak się utrzymał i pojawił się ponownie 400 lat później w pismach rzymskiego poety Lucretiusa, w jego dziele De rerum natura (O naturze rzeczy).
Niewiele więcej zrobiono, aby rozwinąć ideę, że materia może być zbudowana z małych cząstek do XVII wieku. Angielski fizyk Isaac Newton w swojej Principia Mathematica (1687) zaproponował, aby prawo Boyle'a, które stwierdza, że iloczyn ciśnienia i objętości gazu jest stały w tej samej temperaturze, można wyjaśnić, jeśli założymy, że gaz jest składa się z cząstek. W 1808 r. Angielski chemik John Dalton zasugerował, że każdy pierwiastek składa się z identycznych atomów, aw 1811 r. Włoski fizyk Amedeo Avogadro wysunął hipotezę, że cząstki pierwiastków mogą składać się z dwóch lub więcej atomów sklejonych razem. Avogadro nazwał takie konglomeracje cząsteczkami i na podstawie prac eksperymentalnych przypuszczał, że cząsteczki w gazie wodoru lub tlenu powstają z par atomów.
W XIX wieku rozwinęła się idea ograniczonej liczby pierwiastków, z których każdy składa się z określonego rodzaju atomu, który mógłby łączyć się na niemal nieograniczoną liczbę sposobów, tworząc związki chemiczne. W połowie wieku kinetyczna teoria gazów z powodzeniem przypisywała takie zjawiska, jak ciśnienie i lepkość gazu, ruchom cząstek atomowych i cząsteczkowych. W 1895 r. Rosnąca waga dowodów chemicznych i sukces teorii kinetycznej nie pozostawiły wątpliwości, że atomy i cząsteczki są prawdziwe.
Wewnętrzna struktura atomu stała się jednak jasna dopiero na początku XX wieku dzięki pracy brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda i jego uczniów. Do czasu wysiłków Rutherforda popularnym modelem atomu był tak zwany „pudding śliwkowy”, zalecany przez angielskiego fizyka Josepha Johna Thomsona, który stwierdził, że każdy atom składa się z pewnej liczby elektronów (śliwek) zatopionych w żelu ładunku dodatniego (budyń); całkowity ładunek ujemny elektronów dokładnie równoważy całkowity ładunek dodatni, dając atom, który jest elektrycznie obojętny. Rutherford przeprowadził serię eksperymentów rozpraszania, które stanowiły wyzwanie dla modelu Thomsona. Rutherford zauważył, że kiedy wiązka cząstek alfa (które obecnie są znane jako jądra helu) uderzyła w cienką złotą folię, niektóre cząstki zostały odchylone do tyłu. Tak duże ugięcia były niezgodne z modelem budyń śliwkowy.
Prace te doprowadziły do modelu atomowego Rutherforda, w którym ciężkie jądro ładunku dodatniego jest otoczone chmurą lekkich elektronów. Jądro składa się z dodatnio naładowanych protonów i elektrycznie obojętnych neutronów, z których każdy jest około 1836 razy masywniejszy niż elektron. Ponieważ atomy są tak małe, ich właściwości należy wywnioskować za pomocą pośrednich technik eksperymentalnych. Najważniejszym z nich jest spektroskopia, która służy do pomiaru i interpretacji promieniowania elektromagnetycznego emitowanego lub absorbowanego przez atomy, gdy przechodzą one od jednego stanu energetycznego do drugiego. Każdy pierwiastek chemiczny promieniuje energią o różnych długościach fal, które odzwierciedlają ich strukturę atomową. Dzięki procedurom mechaniki fal energie atomów w różnych stanach energii i charakterystyczne długości fal, które emitują, można obliczyć na podstawie pewnych podstawowych stałych fizycznych - mianowicie masy i ładunku elektronu, prędkości światła i stałej Plancka. W oparciu o te podstawowe stałe prognozy numeryczne mechaniki kwantowej mogą uwzględniać większość zaobserwowanych właściwości różnych atomów. W szczególności mechanika kwantowa zapewnia głębokie zrozumienie rozmieszczenia elementów w układzie okresowym, pokazując na przykład, że elementy w tej samej kolumnie tabeli powinny mieć podobne właściwości.
W ostatnich latach moc i precyzja laserów zrewolucjonizowały dziedzinę fizyki atomowej. Z jednej strony lasery znacznie zwiększyły precyzję, z jaką można zmierzyć charakterystyczne długości fali atomów. Na przykład współczesne standardy czasu i częstotliwości opierają się na pomiarach częstotliwości przejścia w cezie atomowym (patrz zegar atomowy), a definicja miernika jako jednostki długości jest teraz powiązana z pomiarami częstotliwości z prędkością światła. Ponadto lasery umożliwiły zupełnie nowe technologie izolowania poszczególnych atomów w pułapkach elektromagnetycznych i chłodzenia ich do niemal absolutnego zera. Gdy atomy doprowadza się zasadniczo do zatrzymania w pułapce, mogą one przejść kwantowo-mechaniczne przejście fazowe, tworząc nadciek znany jako kondensacja Bosego-Einsteina, pozostając w postaci rozcieńczonego gazu. W tym nowym stanie materii wszystkie atomy są w tym samym spójnym stanie kwantowym. W rezultacie atomy tracą swoją indywidualną tożsamość, a ich kwantowo-mechaniczne właściwości falowe stają się dominujące. Cały kondensat reaguje następnie na wpływy zewnętrzne jako pojedynczy spójny byt (jak ławica ryb), a nie jako zbiór pojedynczych atomów. Ostatnie prace wykazały, że spójną wiązkę atomów można wydobyć z pułapki, tworząc „laser atomowy” analogiczny do spójnej wiązki fotonów w konwencjonalnym laserze. Laser atomowy wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju, ale może stać się kluczowym elementem przyszłych technologii wytwarzania mikroelektroniki i innych urządzeń w skali nano.
