Атомната физика, научното изследване на структурата на атома, неговите енергийни състояния и взаимодействията му с други частици и с електрически и магнитни полета. Атомната физика се оказа изключително впечатляващо приложение на квантовата механика, което е един от крайъгълните камъни на съвременната физика.
Идеята, че материята е изградена от основни градивни елементи, е от древните гърци, които спекулират, че земята, въздухът, огънят и водата могат да формират основните елементи, от които е изграден физическият свят. Те също така разработиха различни школи за мисъл за върховния характер на материята. Може би най-забележителната е била атомната школа, основана от древните гърци Левцип от Милет и Демокрит от Тракия около 440 г. пр.н.е. По чисто философски причини и без да се възползват от експериментални доказателства, те развиха представата, че материята се състои от неделими и неразрушими атоми. Атомите са в непрекъснато движение през заобикалящата празнина и се сблъскват една с друга като билярдни топки, подобно на съвременната кинетична теория за газовете. Необходимостта от празнота (или вакуум) между атомите породи нови въпроси, на които не може лесно да се отговори. Поради тази причина атомистичната картина беше отхвърлена от Аристотел и атинската школа в полза на схващането, че материята е непрекъсната. Идеята въпреки това се запазва и тя се появява отново 400 години по-късно в съчиненията на римския поет Лукреций в неговото произведение De rerum natura (За природата на нещата).
Малко повече беше направено, за да се развие идеята, че материята може да бъде направена от малки частици до 17-ти век. Английският физик Исак Нютон в своята Principia Mathematica (1687) предложи законът на Бойл, който гласи, че произведението на налягането и обема на газ е постоянно при една и съща температура, може да се обясни, ако се приеме, че газът е съставен от частици. През 1808 г. английският химик Джон Далтън предположи, че всеки елемент се състои от еднакви атоми, а през 1811 г. италианският физик Амедео Авогадро предположи, че частиците от елементи могат да се състоят от два или повече атома, залепени заедно. Авогадро нарече такива молекули за конгломерации и на базата на експериментална работа предположи, че молекулите в газ от водород или кислород се образуват от двойки атоми.
През 19 век там се развива идеята за ограничен брой елементи, всеки от които се състои от определен тип атом, които могат да се комбинират по почти неограничен брой начини за образуване на химични съединения. В средата на века кинетичната теория за газовете успешно приписва такива движения като налягането и вискозитета на газ на движенията на атомни и молекулни частици. Към 1895 г. нарастващата тежест на химичните доказателства и успехът на кинетичната теория оставят малко съмнение, че атомите и молекулите са истински.
Вътрешната структура на атома обаче става ясно едва в началото на 20 век с работата на британския физик Ърнест Ръдърфорд и неговите студенти. До усилията на Ръдърфорд, популярен модел на атома е бил т. Нар. Модел на сливов пудинг, застъпван от английския физик Джоузеф Джон Томсън, който смята, че всеки атом се състои от множество електрони (сливи), вградени в гел на положителен заряд (пудинг); общият отрицателен заряд на електроните точно балансира общия положителен заряд, давайки атом, който е електрически неутрален. Ръдърфорд проведе серия от експерименти с разсейване, които предизвикаха модела на Томсън. Ръдърфорд забеляза, че когато лъч от алфа частици (за които сега е известно, че са хелиеви ядра) удари тънко златно фолио, някои от частиците се отклоняват назад. Такива големи отклонения бяха несъвместими с модела на сливовия пудинг.
Тази работа доведе до атомния модел на Ръдърфорд, в който тежко ядро с положителен заряд е заобиколено от облак от леки електрони. Ядрото е съставено от положително заредени протони и електрически неутрални неутрони, всеки от които е приблизително 1,836 пъти по-масивен от електрона. Тъй като атомите са толкова малко, техните свойства трябва да се изведат чрез косвени експериментални техники. Основно сред тях е спектроскопията, която се използва за измерване и интерпретиране на електромагнитното излъчване, излъчвано или абсорбирано от атоми, докато те преминават от преход от едно енергийно състояние в друго. Всеки химичен елемент излъчва енергия с отличителни дължини на вълната, които отразяват атомната им структура. Чрез процедурите на вълновата механика енергиите на атомите в различни енергийни състояния и характерните дължини на вълните, които излъчват, могат да бъдат изчислени от определени основни физични константи - а именно масата на електрона и заряд, скоростта на светлината и константата на Планк. Въз основа на тези основни константи числените прогнози на квантовата механика могат да отчитат повечето от наблюдаваните свойства на различни атоми. По-специално, квантовата механика предлага дълбоко разбиране на подредбата на елементите в периодичната таблица, показвайки например, че елементите в една и съща колона на таблицата трябва да имат подобни свойства.
През последните години силата и прецизността на лазерите направиха революция в областта на атомната физика. От една страна, лазерите драстично увеличиха точността, с която могат да бъдат измерени характерните дължини на вълните на атомите. Например, съвременните стандарти за време и честота се основават на измервания на преходните честоти в атомен цезий (виж атомен часовник), а определянето на електромера като единица дължина вече е свързано с измерването на честотата чрез скоростта на светлината. В допълнение, лазерите направиха възможни изцяло нови технологии за изолиране на отделни атоми в електромагнитни капани и охлаждане до почти абсолютна нула. Когато атомите са преместени по същество в капана, те могат да претърпят квантово-механичен фазов преход, за да образуват свръхфлуид, известен като кондензация на Боза-Айнщайн, като остават под формата на разреден газ. В това ново материално състояние всички атоми са в едно и също кохерентно квантово състояние. Вследствие на това атомите губят индивидуалната си идентичност и техните квантово-механични вълнообразни свойства стават доминиращи. След това целият кондензат реагира на външни влияния като едно цялостно образувание (като училище за риба), вместо като съвкупност от отделни атоми. Скорошна работа показа, че кохерентният лъч от атоми може да бъде извлечен от капана за образуване на "атомен лазер", аналогичен на кохерентния лъч на фотоните в конвенционален лазер. Атомният лазер все още е в ранен стадий на развитие, но има потенциал да се превърне в ключов елемент на бъдещите технологии за производство на микроелектронни и други наноразмерни устройства.
