Atomfysikk, den vitenskapelige undersøkelsen av atomets struktur, energitilstandene og interaksjonene med andre partikler og elektriske og magnetiske felt. Atomfysikk har vist seg å være en fantastisk vellykket anvendelse av kvantemekanikk, som er en av hjørnesteinene i moderne fysikk.
Forestillingen om at saken er laget av grunnleggende byggesteiner, stammer fra de gamle grekere, som spekulerte i at jord, luft, ild og vann kan utgjøre de grunnleggende elementene som den fysiske verden er konstruert fra. De utviklet også forskjellige tankeskoler om materiens endelige natur. Kanskje den mest oppsiktsvekkende var atomskolen som ble grunnlagt av de gamle grekerne Leucippus fra Milet og Demokritus fra Thrakia omtrent 440 f.Kr. Av rent filosofiske grunner, og uten fordel av eksperimentelle bevis, utviklet de forestillingen om at materie består av udelelige og uforgjengelige atomer. Atomene er i uopphørlig bevegelse gjennom tomrommet rundt og kolliderer med hverandre som biljardkuler, omtrent som den moderne kinetiske teorien om gasser. Nødvendigheten for et tomrom (eller vakuum) mellom atomene vakte imidlertid nye spørsmål som ikke lett kunne besvares. Av denne grunn ble atomistbildet avvist av Aristoteles og den athenske skolen til fordel for forestillingen om at saken er kontinuerlig. Ideen vedvarte likevel, og den dukket opp igjen 400 år senere i skriftene til den romerske dikteren Lucretius, i hans verk De rerum natura (On the Nature of Things).
Lite mer ble gjort for å fremme ideen om at materie kan være laget av bittesmå partikler frem til 1600-tallet. Den engelske fysikeren Isaac Newton foreslo i sin Principia Mathematica (1687) at Boyles lov, som sier at produktet av trykket og volumet til en gass er konstant ved samme temperatur, kunne forklares hvis man antar at gassen er sammensatt av partikler. I 1808 antydet den engelske kjemikeren John Dalton at hvert element består av identiske atomer, og i 1811 antok den italienske fysikeren Amedeo Avogadro at partiklene av elementer kan bestå av to eller flere atomer som henger sammen. Avogadro kalte slike konglomerasjonsmolekyler, og på grunnlag av eksperimentelt arbeid antok han at molekylene i en gass med hydrogen eller oksygen dannes fra atomerpar.
I løpet av 1800-tallet utviklet det ideen om et begrenset antall elementer, hver bestående av en bestemt type atom, som kunne kombinere på et nesten ubegrenset antall måter å danne kjemiske forbindelser. På midten av århundre tilskrev den kinetiske teorien om gasser med fordel slike fenomener som trykket og viskositeten til en gass til bevegelsene til atom- og molekylpartikler. I 1895 etterlot den økende vekten av kjemisk bevis og suksessen til kinetisk teori liten tvil om at atomer og molekyler var reelle.
Atomenes indre struktur ble imidlertid først på begynnelsen av det 20. århundre tydelig med arbeidet til den britiske fysikeren Ernest Rutherford og studentene hans. Fram til Rutherfords innsats hadde en populær modell av atomet vært den såkalte “plum-pudding” -modellen, forfektet av den engelske fysikeren Joseph John Thomson, som mente at hvert atom består av et antall elektroner (plommer) innebygd i en gel av positiv ladning (pudding); den totale negative ladningen til elektronene balanserer nøyaktig den totale positive ladningen, og gir et atom som er elektrisk nøytralt. Rutherford gjennomførte en serie spredningseksperimenter som utfordret Thomsons modell. Rutherford observerte at når en bjelke med alfapartikler (som nå er kjent for å være heliumkjerner) slo til en tynn gullfolie, ble noen av partiklene avbøyd bakover. Så store nedbøyninger var i strid med plommepuddingmodellen.
Dette arbeidet førte til Rutherfords atommodell, der en tung kjerne med positiv ladning er omgitt av en sky av lette elektroner. Kjernen er sammensatt av positivt ladede protoner og elektrisk nøytrale nøytroner, som hver er omtrent 1.836 ganger så massiv som elektronet. Fordi atomer er så små, må deres egenskaper utledes av indirekte eksperimentelle teknikker. Hoved blant disse er spektroskopi, som brukes til å måle og tolke den elektromagnetiske strålingen som blir avgitt eller absorbert av atomer når de gjennomgår overganger fra en energitilstand til en annen. Hvert kjemisk element stråler energi med særegne bølgelengder, som gjenspeiler deres atomstruktur. Gjennom prosedyrene til bølgemekanikk, kan atomenes energier i forskjellige energitilstander og de karakteristiske bølgelengdene de sender ut beregnes fra visse grunnleggende fysiske konstanter - nemlig elektronmasse og ladning, lysets hastighet og Plancks konstant. Basert på disse grunnleggende konstantene, kan de numeriske prediksjonene av kvantemekanikken utgjøre de fleste av de observerte egenskapene til forskjellige atomer. Spesielt tilbyr kvantemekanikk en dyp forståelse av arrangementet av elementer i den periodiske tabellen, og viser for eksempel at elementer i samme kolonne i tabellen skal ha lignende egenskaper.
De siste årene har kraften og presisjonen til lasere revolusjonert feltet atomfysikk. På den ene siden har lasere dramatisk økt presisjonen som de karakteristiske bølgelengdene til atomer kan måles på. For eksempel er moderne standarder for tid og frekvens basert på målinger av overgangsfrekvenser i atomært cesium (se atomur), og definisjonen av måleren som en lengdeenhet er nå relatert til frekvensmålinger gjennom lysets hastighet. I tillegg har lasere muliggjort helt nye teknologier for å isolere individuelle atomer i elektromagnetiske feller og avkjøle dem til nesten absolutt null. Når atomene bringes i vesentlig grad til å hvile i fellen, kan de gjennomgå en kvantemekanisk faseovergang for å danne en overflatefluid kjent som en Bose-Einstein kondensasjon, mens de forblir i form av en fortynnet gass. I denne nye tilstanden er alle atomene i den samme sammenhengende kvantetilstanden. Som en konsekvens mister atomene sine individuelle identiteter, og deres kvantemekaniske bølgelignende egenskaper blir dominerende. Hele kondensatet reagerer deretter på ytre påvirkninger som en enkelt sammenhengende enhet (som en skole med fisk), i stedet for som en samling av individuelle atomer. Nyere arbeid har vist at en koherent stråle av atomer kan trekkes ut fra fellen for å danne en "atomlaser" analog med den koherente strålen av fotoner i en konvensjonell laser. Atomlaseren er fremdeles i et tidlig stadium av utviklingen, men den har potensial til å bli et sentralt element i fremtidige teknologier for fremstilling av mikroelektroniske og andre nanoskalaenheter.
