Atomfysik, den vetenskapliga studien av atomens struktur, dess energitillstånd och dess interaktion med andra partiklar och med elektriska och magnetiska fält. Atomfysik har visat sig vara en spektakulär framgångsrik tillämpning av kvantmekanik, som är en av hörnstenarna i modern fysik.
Uppfattningen att materien är gjord av grundläggande byggstenar är från de gamla grekerna, som spekulerade i att jord, luft, eld och vatten kan bilda de grundelement som den fysiska världen är konstruerad från. De utvecklade också olika tankar om materiens ultimata natur. Kanske den mest anmärkningsvärda var atomskolan grundad av de antika grekerna Leucippus från Miletus och Demokritus från Thrakien omkring 440 f.Kr. Av rent filosofiska skäl, och utan att dra nytta av experimentella bevis, utvecklade de uppfattningen att materien består av odelbara och oförstörbara atomer. Atomerna är i oavbruten rörelse genom det omgivande tomrummet och kolliderar med varandra som biljardbollar, ungefär som den moderna kinetiska teorin om gaser. Emellertid väckte behovet av ett tomrum (eller vakuum) mellan atomerna nya frågor som inte lätt kunde besvaras. Av denna anledning förkastades atomistbilden av Aristoteles och den atensiska skolan till förmån för uppfattningen att materien är kontinuerlig. Idén bestod ändå, och den dök upp igen 400 år senare i den romerska poeten Lucretius skrifter, i hans verk De rerum natura (On the Nature of Things).
Lite mer gjordes för att främja idén att materien kan vara gjord av små partiklar fram till 1600-talet. Den engelska fysikern Isaac Newton föreslog i sin Principia Mathematica (1687) att Boyles lag, som säger att produkten av trycket och gasvolymen är konstant vid samma temperatur, skulle kunna förklaras om man antar att gasen är består av partiklar. År 1808 föreslog den engelska kemisten John Dalton att varje element består av identiska atomer, och 1811 ansåg den italienska fysikern Amedeo Avogadro att partiklarna av element kan bestå av två eller flera atomer fastna ihop. Avogadro kallade sådana konglomerationsmolekyler, och på grundval av experimentellt arbete antog han att molekylerna i en gas av väte eller syre bildas av atomerpar.
Under 1800-talet utvecklades idén om ett begränsat antal element, som var och en bestod av en viss typ av atom, som kunde kombinera på ett nästan obegränsat antal sätt att bilda kemiska föreningar. I mitten av århundradet tillskrev den kinetiska teorin om gaser framgångsrikt sådana fenomen som trycket och viskositeten hos en gas till rörelserna från atomära och molekylära partiklar. År 1895 lämnade den ökande vikten av kemisk bevis och framgången för den kinetiska teorin liten tvekan om att atomer och molekyler var verkliga.
Atomens inre struktur blev emellertid klar först i början av 1900-talet med arbetet av den brittiska fysikern Ernest Rutherford och hans studenter. Fram till Rutherfords ansträngningar hade en populär modell av atomen varit den så kallade "plum-pudding" -modellen, förespråkad av den engelska fysikern Joseph John Thomson, som hävdade att varje atom består av ett antal elektroner (plommon) inbäddade i en gel av positiv laddning (pudding); den totala negativa laddningen för elektronerna balanserar exakt den totala positiva laddningen, vilket ger en atom som är elektriskt neutral. Rutherford genomförde en serie spridningsexperiment som utmanade Thomsons modell. Rutherford observerade att när en stråle av alfapartiklar (som nu är känd för att vara heliumkärnor) slog en tunn guldfolie, avböjdes några av partiklarna bakåt. Så stora avböjningar stämde inte med plommonpuddingmodellen.
Detta arbete ledde till Rutherfords atommodell, i vilken en tung kärna med positiv laddning omges av ett moln av ljuselektroner. Kärnan består av positivt laddade protoner och elektriskt neutrala neutroner, var och en är ungefär 1 836 gånger så massiv som elektronen. Eftersom atomerna är så små, måste deras egenskaper utledes av indirekta experimentella tekniker. Bland dessa är spektroskopi, som används för att mäta och tolka den elektromagnetiska strålningen som avges eller absorberas av atomer när de genomgår övergångar från ett energitillstånd till ett annat. Varje kemiskt element strålar energi med distinkta våglängder, som återspeglar deras atomstruktur. Genom förfarandena för vågmekanik, atomernas energier i olika energitillstånd och de karakteristiska våglängderna som de avger kan beräknas från vissa grundläggande fysiska konstanter - nämligen elektronmassa och laddning, ljusets hastighet och Plancks konstant. Baserat på dessa grundläggande konstanter kan de numeriska förutsägelserna av kvantmekanik stå för de flesta av de observerade egenskaperna hos olika atomer. I synnerhet erbjuder kvantmekanik en djup förståelse för arrangemanget av element i den periodiska tabellen, vilket exempelvis visar att element i samma kolumn i tabellen bör ha liknande egenskaper.
Under de senaste åren har laserns kraft och precision revolutionerat området atomfysik. Å ena sidan har lasrar dramatiskt ökat precisionen med vilken de karakteristiska våglängderna hos atomer kan mätas. Till exempel är moderna standarder för tid och frekvens baserade på mätningar av övergångsfrekvenser i atomärt cesium (se atomklocka), och definitionen av mätaren som en längdenhet är nu relaterad till frekvensmätningar genom ljusets hastighet. Dessutom har lasrar möjliggjort helt ny teknik för att isolera enskilda atomer i elektromagnetiska fällor och kyla dem till nästan absolut noll. När atomerna väsentligen bringas att vila i fällan, kan de genomgå en kvantmekanisk fasövergång för att bilda en superfluid känd som en Bose-Einstein-kondensation, medan de förblir i form av en utspädd gas. I det här nya tillståndet är alla atomerna i samma sammanhängande kvanttillstånd. Som en följd av detta förlorar atomerna sina individuella identiteter och deras kvantmekaniska vågliknande egenskaper blir dominerande. Hela kondensatet svarar sedan på yttre påverkan som en enda enhetlig enhet (som en fiskskola) istället för som en samling av enskilda atomer. Nyligen visat arbete har visat att en koherent stråle av atomer kan extraheras från fällan för att bilda en "atomlaser" analog med den sammanhängande fotonen i en konventionell laser. Atomlasern befinner sig fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium, men den har potential att bli ett viktigt element i framtida tekniker för tillverkning av mikroelektroniska och andra nanoskala enheter.
