Atominė fizika, atomo struktūros, jo energetinių būsenų ir sąveikos su kitomis dalelėmis bei elektriniu ir magnetiniu lauku mokslinis tyrimas. Atominė fizika pasirodė įspūdingai sėkmingai įgyvendindama kvantinę mechaniką, kuri yra vienas iš kertinių šiuolaikinės fizikos akmenų.
Senovės graikai, supratę, kad žemė, oras, ugnis ir vanduo gali sudaryti pagrindinius elementus, iš kurių susideda fizinis pasaulis, suprato, kad tai yra esminiai elementai. Jie taip pat sukūrė įvairias mintis apie galutinę materijos prigimtį. Bene įspūdingiausia buvo atomistų mokykla, kurią įkūrė senovės graikai Miletuso Leucippusas ir Trakijos demokratas apie 440 BC. Dėl grynai filosofinių priežasčių ir nenaudodami eksperimentinių įrodymų, jie sukūrė nuostatą, kad materija susideda iš nedalomų ir neišardomų atomų. Atomai nepaliaujamai juda per aplinkinę tuštumą ir susiduria vienas su kitu kaip biliardo rutuliai, panašiai kaip šiuolaikinė kinetinė dujų teorija. Tačiau būtinybė tuštumui (arba vakuumui) tarp atomų iškėlė naujų klausimų, į kuriuos nebuvo lengva atsakyti. Dėl šios priežasties atomistų paveikslą Aristotelis ir Atėnų mokykla atmetė palaikydami mintį, kad materija yra tęstinė. Vis dėlto ši idėja išliko ir po 400 metų vėl atsirado romėnų poeto Lucrecijaus rašytuose darbuose „De rerum natura“ („Daiktų prigimtis“).
Nedaug buvo padaryta siekiant išplėsti mintį, kad materija gali būti pagaminta iš mažų dalelių iki XVII a. Anglų fizikas Isaacas Newtonas savo knygoje „Principia Mathematica“ (1687) pasiūlė Boyle'io dėsnį, kuriame teigiama, kad dujų slėgio ir tūrio sandauga vienoda toje pačioje temperatūroje, būtų galima paaiškinti, jei manoma, kad dujos yra sudarytas iš dalelių. 1808 m. Anglų chemikas Johnas Daltonas pasiūlė, kad kiekvienas elementas sudarytų iš vienodų atomų, o 1811 m. Italų fizikas Amedeo Avogadro iškėlė hipotezę, kad elementų dalelės gali būti sudarytos iš dviejų ar daugiau atomų, sujungtų. Avogadro pavadino tokias konglomeracijų molekules ir, remdamasis eksperimentiniu darbu, manė, kad vandenilio arba deguonies dujose esančios molekulės yra sudarytos iš atomų porų.
XIX amžiuje buvo išplėtota riboto skaičiaus elementų, kurių kiekvienas susideda iš tam tikro tipo atomo, idėja, kuri beveik beribiu būdu galėtų sujungti cheminius junginius. Amžiaus viduryje kinetinė dujų teorija tokius reiškinius kaip dujų slėgis ir klampumas sėkmingai priskyrė atominių ir molekulinių dalelių judėjimui. Iki 1895 m. Augantis cheminių įrodymų svoris ir kinetikos teorijos sėkmė paliko mažai abejonių, ar atomai ir molekulės yra tikros.
Vis dėlto vidinė atomo struktūra paaiškėjo tik XX amžiaus pradžioje, kai dirbo britų fizikas Ernestas Rutherfordas ir jo studentai. Iki Rutherfordo pastangų populiarus atomo modelis buvo vadinamasis „slyvų pudingo“ modelis, kurį propagavo anglų fizikas Josephas Johnas Thomsonas ir kuris teigė, kad kiekvienas atomas susideda iš daugybės elektronų (slyvų), įterptų į gelį. teigiamas krūvis (pudingas); bendras neigiamas elektronų krūvis tiksliai subalansuoja bendrą teigiamą krūvį, sukuriant atomą, kuris yra elektriškai neutralus. Rutherfordas atliko keletą išsklaidytų eksperimentų, kurie užginčijo Thomsono modelį. Rutherfordas pastebėjo, kad kai alfa dalelių (kurios dabar žinomos kaip helio branduoliai) pluoštas smogė į ploną aukso foliją, kai kurios dalelės buvo nukreiptos atgal. Tokie dideli įlinkiai prieštaravo slyvų pudingo modeliui.
Šis darbas paskatino Rutherfordo atominį modelį, kuriame sunkiųjų teigiamo krūvio branduolį supa šviesos elektronų debesis. Branduolį sudaro teigiamai įkrauti protonai ir elektriškai neutralūs neutronai, kurių kiekvienas yra maždaug 1836 kartus masyvesnis už elektroną. Kadangi atomai yra tokie maži, jų savybes turi nulemti netiesioginiai eksperimentiniai metodai. Svarbiausia iš jų yra spektroskopija, naudojama išmatuoti ir aiškinti atomų skleidžiamą ar sugeriamą elektromagnetinę spinduliuotę, kai jie pereina iš vienos energijos būsenos į kitą. Kiekvienas cheminis elementas spinduliuoja energiją tam tikrais bangų ilgiais, kurie atspindi jų atominę struktūrą. Atliekant bangų mechanikos procedūras, atomų energija įvairiose energijos būsenose ir būdingi bangų ilgiai, kuriuos jie skleidžia, gali būti apskaičiuojami iš tam tikrų pagrindinių fizinių konstantų, būtent, elektronų masės ir krūvio, šviesos greičio ir Plancko konstantos. Remiantis šiomis pagrindinėmis konstantomis, skaitiniai kvantinės mechanikos numatymai gali atspindėti daugumą stebimų skirtingų atomų savybių. Visų pirma, kvantinė mechanika suteikia išsamų supratimą apie periodinės lentelės elementų išdėstymą, parodydama, pavyzdžiui, kad tame pačiame lentelės stulpelyje esantys elementai turėtų turėti panašias savybes.
Pastaraisiais metais lazerių galia ir tikslumas sukėlė revoliuciją atominės fizikos srityje. Viena vertus, lazeriai smarkiai padidino tikslumą, kuriuo galima išmatuoti būdingus atomų bangos ilgius. Pavyzdžiui, šiuolaikiniai laiko ir dažnio standartai yra pagrįsti pereinamųjų dažnių matavimais atominiame cezyje (žr. Atominį laikrodį), o skaitiklio kaip ilgio vieneto apibrėžimas dabar yra susijęs su dažnio matavimais šviesos greičiu. Be to, lazeriai leido sukurti visiškai naujas technologijas atskiriems atomams elektromagnetiniuose spąstuose atskirti ir aušinti iki beveik absoliutaus nulio. Kai atomai iš esmės ilsisi spąstuose, jie gali pereiti į kvantinę mechaninę fazės fazę, kad susidarytų superfluidas, žinomas kaip Bose-Einšteino kondensatas, likdamas praskiestų dujų pavidalu. Šioje naujojoje materijos būsenoje visi atomai yra toje pačioje nuoseklioje kvantinėje būsenoje. Dėl to atomai praranda individualų tapatumą, o jų kvantinės mechaninės bangos savybės tampa dominuojančiomis. Tada visas kondensatas reaguoja į išorės įtaką kaip vienas darnus vienetas (kaip žuvų mokykla), o ne kaip atskiri atomai. Naujausias darbas parodė, kad koherentinis atomų spindulys gali būti išgaunamas iš gaudyklės, kad būtų sudarytas „atomo lazeris“, analogiškas koherentiniam fotonų pluoštui įprastame lazeryje. Atominis lazeris vis dar yra pradiniame vystymosi etape, tačiau jis gali tapti pagrindiniu ateities technologijų elementu gaminant mikroelektroninius ir kitus nanoskalės prietaisus.
