Atomifysiikka, atomin rakenteen, sen energiatilojen ja vuorovaikutuksen muiden hiukkasten sekä sähkö- ja magneettikenttien tieteellinen tutkimus. Atomifysiikka on osoittautunut uskomattoman menestyväksi kvantimekaniikan sovellukseksi, joka on yksi modernin fysiikan kulmakivistä.
Ajatus siitä, että asia koostuu perustavanlaatuisista rakennuspalikoista, on peräisin muinaisilta kreikkalaisilta, jotka arvasivat, että maa, ilma, tuli ja vesi voivat muodostaa peruselementit, joista fyysinen maailma rakennetaan. He kehittivät myös erilaisia ajatuskouluja aineen lopullisesta luonteesta. Ehkä merkittävin oli muinaisten kreikkalaisten Miletus Leucippusin ja Traakian demokratian perustama atomistikoulu noin 440 eKr. Puhtaasti filosofisista syistä ja ilman kokeellista näyttöä hyötyvät, he kehittivät ajatusta, että aine koostuu jakamattomista ja tuhoutumattomista atomeista. Atomit liikkuvat lakkaamatta ympäröivän tyhjän alueen läpi ja törmäävät keskenään kuten biljardipallot, aivan kuten nykyaikainen kaasujen kineettinen teoria. Kuitenkin tyhjien (tai tyhjiöiden) välttämättömyys atomien välillä herätti uusia kysymyksiä, joihin ei pystytty helposti vastaamaan. Tästä syystä Aristoteles ja Ateenan koulu hylkäsivät atomistien kuvan ajatuksen jatkamisesta. Idea kuitenkin jatkui ja se ilmestyi 400 vuotta myöhemmin roomalaisen runoilijan Lucretiuksen kirjoituksissa hänen teoksessaan De rerum natura (Asioiden luonteesta).
Hieman enemmän tehtiin ajatuksen ajamiseksi, että aine voisi olla tehty pienistä hiukkasista, 1700-luvulle saakka. Englantilainen fyysikko Isaac Newton ehdotti Principia Mathematicassa (1687), että Boylen lakia, jonka mukaan kaasun paineen ja tilavuuden tuote on vakio samassa lämpötilassa, voitaisiin selittää, jos oletetaan, että kaasu on koostuu hiukkasista. Englantilainen kemisti John Dalton ehdotti vuonna 1808, että jokainen elementti koostuu identtisistä atomista, ja vuonna 1811 italialainen fyysikko Amedeo Avogadro oletsi, että elementtien hiukkaset voivat koostua kahdesta tai useammasta atomista, jotka ovat kiinnittyneet toisiinsa. Avogadro kutsui sellaisia ryhmittymämolekyylejä, ja kokeellisten töiden perusteella hän arvioi, että vedyn tai hapen kaasussa olevat molekyylit muodostuvat atomisparista.
1800-luvulla kehitettiin ajatus rajoitetusta määrästä elementtejä, joista jokainen koostuu tietyntyyppisestä atomista ja jotka voisivat yhdistyä melkein rajattomasti tapoja muodostaa kemiallisia yhdisteitä. Vuosisadan puolivälissä kaasujen kineettinen teoria osoitti onnistuneesti sellaiset ilmiöt kuin kaasun paine ja viskositeetti atomien ja molekyylipartikkeleiden liikkeille. Vuoteen 1895 mennessä kemiallisen näytön kasvava paino ja kineettisen teorian menestys jättivät vähäisen epäilyksen atomien ja molekyylien todellisuudesta.
Atomin sisäinen rakenne tuli kuitenkin selväksi vasta 1900-luvun alussa brittiläisen fyysikon Ernest Rutherfordin ja hänen opiskelijoidensa tekemällä työllä. Ennen Rutherfordin ponnisteluja suosittu atomimalli oli ollut ns. Luumu-vanukas malli, jota puolusti englantilainen fyysikko Joseph John Thomson ja jonka mukaan jokainen atomi koostuu useista elektroneista (luumuista) upotettuna geeliin. positiivinen varaus (vanukas); elektronien kokonaisnegatiivinen varaus tasapainottaa tarkalleen kokonaispositiivisen varauksen, jolloin saadaan atomi, joka on sähköisesti neutraali. Rutherford suoritti sirontakokeita, jotka haastavat Thomsonin mallin. Rutherford havaitsi, että kun alfahiukkasten (joiden nykyään tiedetään olevan heliumydimiä) säde iski ohut kultakalvo, jotkut hiukkasista taipuivat taaksepäin. Tällaiset suuret taipumat olivat ristiriidassa luumu-vanukasmallin kanssa.
Tämä työ johti Rutherfordin atomimalliin, jossa positiivisen varauksen raskas ydin ympäröi valoelektronien pilvi. Ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja sähköisesti neutraaleista neutroneista, joista kukin on suunnilleen 1836 kertaa yhtä massiivinen kuin elektron. Koska atomit ovat niin pieniä, niiden ominaisuudet täytyy päätellä epäsuorilla kokeellisilla tekniikoilla. Tärkein näistä on spektroskopia, jota käytetään mittaamaan ja tulkitsemaan atomien lähettämää tai absorboimaa sähkömagneettista säteilyä, kun ne siirtyvät energiatilasta toiseen. Jokainen kemiallinen elementti säteilee energiaa erottuvilla aallonpituuksilla, jotka heijastavat niiden atomirakennetta. Aalto-mekaniikan prosessien avulla atomien energiat eri energiatiloissa ja niiden lähettämät karakteristiset aallonpituudet voidaan laskea tietyistä fysikaalisista vakioista - nimittäin elektronimassasta ja varauksesta, valon nopeudesta ja Planckin vakiosta. Näihin perustavanlaatuisiin vakioihin perustuen kvanttimekaniikan numeeriset ennusteet voivat kattaa suurimman osan eri atomien havaituista ominaisuuksista. Erityisesti kvanttimekaniikka tarjoaa syvän ymmärryksen jaksotaulukon elementtien järjestelystä osoittaen esimerkiksi, että taulukon samassa sarakkeessa olevien elementtien tulisi olla samanlaisia.
Viime vuosina laserien teho ja tarkkuus ovat mullistaneet atomifysiikan kentän. Toisaalta laserit ovat dramaattisesti lisänneet tarkkuutta, jolla atomien karakteristiset aallonpituudet voidaan mitata. Esimerkiksi nykyaikaiset aika- ja taajuustandardit perustuvat siirtymätaajuuksien mittaamiseen atomisesesiumissa (katso atomikello), ja mittarin määritelmä pituusyksiköksi liittyy nyt taajuuden mittaamiseen valon nopeuden kautta. Lisäksi laserit ovat mahdollistaneet täysin uudet tekniikat yksittäisten atomien eristämiseksi sähkömagneettisissa ansoissa ja jäähdyttämiseksi niiden lähellä absoluuttiseen nollaan. Kun atomit saatetaan olennaisesti lepäämään ansaan, ne voivat käydä läpi kvanttisen mekaanisen faasimuutoksen, jotta muodostuu Bose-Einsteinin kondensaatioksi kutsuttu superneste, samalla kun ne pysyvät laimennetun kaasun muodossa. Tässä uudessa aineen tilassa kaikki atomit ovat samassa koherentissa kvanttitilassa. Seurauksena on, että atomit menettävät yksilöllisen identiteettinsä, ja niiden kvanttimekaaniset aaltomaiset ominaisuudet muuttuvat hallitseviksi. Koko kondensaatti reagoi sitten ulkoisiin vaikutuksiin yhtenä yhtenäisenä kokonaisuutena (kuten kalojen koulu) yksittäisten atomien kokoelman sijaan. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että lokerosta voidaan erottaa koherentti atomien säde, jotta muodostuu ”atomalaseri”, joka on analoginen fotonien koherenttiin säteen kanssa tavanomaisessa laserissa. Atomilaseri on vielä kehitysvaiheessa, mutta siitä voi tulla tulevaisuuden teknologian avaintekijä mikroelektronisten ja muiden nanomittakaavoisten laitteiden valmistuksessa.
