Atomska fizika, znanstvena študija zgradbe atoma, njegovih energijskih stanj in interakcij z drugimi delci ter z električnim in magnetnim poljem. Atomska fizika se je izkazala za izjemno uspešno uporabo kvantne mehanike, ki je eden od temeljev sodobne fizike.
Pojem, da je zadeva sestavljena iz temeljnih gradnikov, izvira od starih Grkov, ki so ugibali, da bi zemlja, zrak, ogenj in voda lahko bili osnovni elementi, iz katerih je zgrajen fizični svet. Razvili so tudi različne šole razmišljanja o končni naravi materije. Morda najbolj odmevna je bila atomska šola, ki so jo ustanovili stari Grki Leucippus iz Mileta in Demokrit iz Trakije okoli leta 440 pr. Iz čisto filozofskih razlogov in brez koristi eksperimentalnih dokazov so razvili predstavo, da je materija sestavljena iz nedeljivih in neuničljivih atomov. Atomi se neprekinjeno gibljejo skozi okoliško praznino in se med seboj trčijo kot biljardne kroglice, podobno kot sodobna kinetična teorija plinov. Vendar je potreba po praznini (ali vakuumu) med atomi sprožila nova vprašanja, na katera ni mogoče enostavno odgovoriti. Zaradi tega je Aristotel in atenska šola atomistično sliko zavrnil v prid pojmu, da je zadeva nepretrgana. Ideja se je kljub temu obdržala in se je ponovno pojavila 400 let pozneje v spisih rimskega pesnika Lukrecija, v njegovem delu De rerum natura (O naravi stvari).
Nekaj več je bilo storjenega za napredovanje ideje, da bi lahko bila zadeva narejena iz drobnih delcev do 17. stoletja. Angleški fizik Isaac Newton je v svoji Principia Mathematica (1687) predlagal, da bi Boylov zakon, ki določa, da sta produkt tlaka in prostornine plina konstantna pri isti temperaturi, mogoče razložiti, če predpostavimo, da je plin sestavljen iz delcev. Leta 1808 je angleški kemik John Dalton predlagal, da je vsak element sestavljen iz enakih atomov, leta 1811 pa je italijanski fizik Amedeo Avogadro predpostavil, da so delci elementov lahko sestavljeni iz dveh ali več atomov, zlepljenih skupaj. Avogadro je imenoval take molekule konglomeracij in na podlagi eksperimentalnega dela domneval, da se molekule v plinu vodika ali kisika tvorijo iz parov atomov.
V 19. stoletju se je razvila ideja o omejenem številu elementov, od katerih je vsak sestavljen iz določene vrste atoma, ki bi se lahko združili na skoraj neomejeno število načinov tvorjenja kemičnih spojin. Kinetična teorija plinov je sredi stoletja uspešno pripisala gibanje atomskih in molekularnih delcev take pojave, kot so tlak in viskoznost plina. Do leta 1895 naraščajoča teža kemijskih dokazov in uspeh kinetične teorije sta pustila malo dvoma o resničnosti atomov in molekul.
Notranja zgradba atoma pa je postala jasna šele v začetku 20. stoletja z delom britanskega fizika Ernesta Rutherforda in njegovih študentov. Do Rutherfordovih prizadevanj je bil priljubljen model atoma tako imenovani model "pluming puding", ki ga je zagovarjal angleški fizik Joseph John Thomson, ki je menil, da je vsak atom sestavljen iz števila elektronov (sliv), vdelanih v gel pozitivnega naboja (puding); skupni negativni naboj elektronov natančno uravnoveša skupni pozitivni naboj, kar daje atom, ki je električno nevtralen. Rutherford je izvedel vrsto poskusov raztresenja, ki so izzvali Thomson-ov model. Rutherford je opazil, da ko je snop alfa delcev (za katere je zdaj znano, da so helijeva jedra) udaril v tanko zlato folijo, se nekateri delci odklonili nazaj. Tako veliki odkloni niso bili v skladu z modelom slivovega pudinga.
To delo je privedlo do Rutherfordovega atomskega modela, v katerem je težko jedro pozitivnega naboja obkroženo z oblakom svetlobnih elektronov. Jedro je sestavljeno iz pozitivno nabitih protonov in električno nevtralnih nevtronov, od katerih je vsak približno 1,836-krat večji od elektrona. Ker so atomi tako minljivi, je treba njihove lastnosti sklepati s posrednimi eksperimentalnimi tehnikami. Glavna med njimi je spektroskopija, ki se uporablja za merjenje in interpretacijo elektromagnetnega sevanja, ki ga atomi oddajajo ali absorbirajo med prehodom iz enega v drugo energijsko stanje. Vsak kemični element izžareva energijo na značilnih valovnih dolžinah, kar odraža njihovo atomsko strukturo. S postopki valovne mehanike se lahko izračunajo energije atomov v različnih energijskih stanjih in značilne valovne dolžine, ki jih oddajajo iz nekaterih osnovnih fizikalnih konstant - na primer mase elektronov in naboja, hitrosti svetlobe in Planckove konstante. Številčne napovedi kvantne mehanike lahko na podlagi teh osnovnih konstant predstavljajo večino opazovanih lastnosti različnih atomov. Zlasti kvantna mehanika ponuja poglobljeno razumevanje razporeditve elementov v periodični tabeli, kar na primer kaže, da bi morali imeti elementi v istem stolpcu tabele podobne lastnosti.
V zadnjih letih sta moč in natančnost laserjev spremenili področje atomske fizike. Po eni strani so laserji dramatično povečali natančnost, s katero je mogoče meriti značilne valovne dolžine atomov. Na primer, sodobni standardi časa in frekvence temeljijo na meritvah prehodnih frekvenc v atomskem ceziju (glej atomsko uro), opredelitev števca kot enote dolžine pa je zdaj povezana z meritvami frekvence s hitrostjo svetlobe. Poleg tega so laserji omogočili povsem nove tehnologije za izolacijo posameznih atomov v elektromagnetnih pastih in njihovo hlajenje do skoraj absolutne nič. Ko atome v bistvu počivamo v pasti, lahko opravijo kvantno mehanski fazni prehod, da tvorijo presečno tekočino, znano kot Bose-Einsteinova kondenzacija, medtem ko ostanejo v obliki razredčenega plina. V tem novem stanju materije so vsi atomi v istem koherentnem kvantnem stanju. Posledično atomi izgubijo svojo individualno identiteto, njihove kvantno mehanske lastnosti, ki so podobne valovanju, pa postanejo prevladujoče. Celoten kondenzat se nato odzove na zunanje vplive kot enotna koherentna enota (kot šola rib), namesto kot skupek posameznih atomov. Nedavno delo je pokazalo, da lahko iz pasti izvlečemo koherenten snop atomov, da tvorimo "atom laser", analogen koherentnemu snopu fotonov v običajnem laserju. Atomski laser je še vedno v zgodnji fazi razvoja, vendar ima potencial, da postane ključni element prihodnjih tehnologij za izdelavo mikroelektronskih in drugih nanoskalnih naprav.
