Fizica atomică, studiul științific al structurii atomului, a stărilor sale de energie și a interacțiunilor sale cu alte particule și cu câmpurile electrice și magnetice. Fizica atomică s-a dovedit a fi o aplicație de succes spectaculos a mecanicii cuantice, care este una dintre pietrele de temelie ale fizicii moderne.
Noțiunea că materia este formată din blocuri fundamentale de construcție datează din vechii greci, care au speculat că pământul, aerul, focul și apa ar putea forma elementele de bază din care este construită lumea fizică. De asemenea, au dezvoltat diferite școli de gândire despre natura finală a materiei. Poate cea mai remarcabilă a fost școala atomistă fondată de grecii antici Leucippus din Milet și Democrit de Tracia, în jurul anului 440 î. Din motive pur filozofice și fără beneficii de dovezi experimentale, au dezvoltat ideea că materia constă în atomi indivizi și indestructibili. Atomii sunt în mișcare continuă prin golul înconjurător și se ciocnesc unul cu altul ca niște bile de biliard, la fel ca teoria cinetică modernă a gazelor. Cu toate acestea, necesitatea unui gol (sau vid) între atomi a ridicat noi întrebări la care nu se putea răspunde cu ușurință. Din acest motiv, tabloul atomist a fost respins de Aristotel și școala ateniană în favoarea noțiunii că materia este continuă. Ideea a persistat totuși și a reapărut 400 de ani mai târziu în scrierile poetului roman Lucreți, în lucrarea sa De rerum natura (Despre natura lucrurilor).
S-a făcut puțin mai mult pentru a avansa ideea că materia poate fi făcută din particule minuscule până în secolul al XVII-lea. Fizicianul englez Isaac Newton, în Principia Mathematica (1687), a propus legea lui Boyle, care afirmă că produsul presiunii și al volumului unui gaz este constant la aceeași temperatură, ar putea fi explicat dacă se presupune că gazul este compus din particule. În 1808, chimistul englez John Dalton a sugerat că fiecare element este format din atomi identici, iar în 1811 fizicianul italian Amedeo Avogadro a emis ipoteza că particulele elementelor pot consta din doi sau mai mulți atomi lipiți între ei. Avogadro a numit astfel de molecule de conglomerații și, pe baza lucrărilor experimentale, a conceput că moleculele dintr-un gaz de hidrogen sau oxigen sunt formate din perechi de atomi.
Pe parcursul secolului al XIX-lea s-a dezvoltat ideea unui număr limitat de elemente, fiecare constând dintr-un anumit tip de atom, care ar putea combina într-un număr aproape nelimitat de moduri de a forma compuși chimici. La mijlocul secolului, teoria cinetică a gazelor a atribuit cu succes fenomene precum presiunea și vâscozitatea unui gaz mișcărilor particulelor atomice și moleculare. Până în 1895, ponderea crescândă a dovezilor chimice și succesul teoriei cinetice au lăsat puține îndoieli că atomii și moleculele sunt reale.
Structura internă a atomului a devenit însă clară abia la începutul secolului XX, cu activitatea fizicianului britanic Ernest Rutherford și a studenților săi. Până la eforturile lui Rutherford, un model popular al atomului a fost modelul așa-numit „budincă de prune”, susținut de fizicianul englez Joseph John Thomson, care a susținut că fiecare atom constă dintr-un număr de electroni (prune) încorporate într-un gel de încărcare pozitivă (budincă); sarcina negativă totală a electronilor echilibrează exact sarcina pozitivă totală, producând un atom care este neutru din punct de vedere electric. Rutherford a efectuat o serie de experimente de împrăștiere care au contestat modelul lui Thomson. Rutherford a observat că atunci când un fascicul de particule alfa (care acum se știe că sunt nuclee de heliu) a lovit o folie de aur subțire, unele dintre particule au fost deviate înapoi. Astfel de devieri mari nu erau în concordanță cu modelul de budincă.
Această lucrare a dus la modelul atomic al lui Rutherford, în care un nucleu greu de încărcare pozitivă este înconjurat de un nor de electroni de lumină. Nucleul este compus din protoni încărcați pozitiv și neutroni neutri electric, fiecare fiind de aproximativ 1.836 de ori mai masiv decât electronul. Deoarece atomii sunt atât de minute, proprietățile lor trebuie deduse prin tehnici experimentale indirecte. Principala dintre acestea este spectroscopia, care este utilizată pentru a măsura și interpreta radiațiile electromagnetice emise sau absorbite de atomi, deoarece acestea trec de la o stare energetică la alta. Fiecare element chimic radiază energie la lungimi de undă distincte, care reflectă structura lor atomică. Prin procedurile mecanicii de unde, energiile atomilor din diferite stări energetice și lungimile de undă caracteristice pe care le emit pot fi calculate din anumite constante fizice fundamentale - și anume, masa și sarcina electronilor, viteza luminii și constanta lui Planck. Pe baza acestor constante fundamentale, predicțiile numerice ale mecanicii cuantice pot reprezenta majoritatea proprietăților observate ale diferiților atomi. În special, mecanica cuantică oferă o înțelegere profundă a aranjamentului elementelor din tabelul periodic, arătând, de exemplu, că elementele din aceeași coloană a tabelului ar trebui să aibă proprietăți similare.
În ultimii ani, puterea și precizia laserelor au revoluționat domeniul fizicii atomice. Pe de o parte, laserele au mărit dramatic precizia cu care pot fi măsurate lungimile de undă caracteristice ale atomilor. De exemplu, standardele moderne de timp și frecvență se bazează pe măsurătorile frecvențelor de tranziție în cesiu atomic (vezi ceasul atomic), iar definiția contorului ca unitate de lungime este acum legată de măsurările de frecvență prin viteza luminii. În plus, laserele au făcut posibile tehnologii complet noi pentru izolarea atomilor individuali în capcanele electromagnetice și răcirea lor până la zero absolut. Atunci când atomii sunt aduși în mod esențial să se odihnească în capcană, ei pot suferi o tranziție cuantică a fazei mecanice pentru a forma un superfluid cunoscut sub numele de condensare Bose-Einstein, rămânând în formă de gaz diluat. În această nouă stare a materiei, toți atomii sunt în aceeași stare cuantică coerentă. În consecință, atomii își pierd identitățile individuale, iar proprietățile lor de undă mecanică cuantică devin dominante. Întregul condensat răspunde apoi la influențele externe ca o singură entitate coerentă (ca o școală de pești), în loc ca o colecție de atomi individuali. Lucrări recente au arătat că un fascicul coerent de atomi poate fi extras din capcană pentru a forma un „laser atom” analog cu fasciculul coerent de fotoni într-un laser convențional. Laserul cu atom este încă într-un stadiu incipient de dezvoltare, dar are potențialul de a deveni un element cheie al tehnologiilor viitoare pentru fabricarea dispozitivelor microelectronice și a altor nano-scale.
