Fisika atom, studi ilmiah tentang struktur atom, keadaan energinya, dan interaksinya dengan partikel lain dan dengan medan listrik dan magnet. Fisika atom telah terbukti menjadi aplikasi mekanika kuantum yang sangat sukses, yang merupakan salah satu pilar fisika modern.
Gagasan bahwa materi dibuat dari blok bangunan fundamental berasal dari bangsa Yunani kuno, yang berspekulasi bahwa bumi, udara, api, dan air dapat membentuk elemen dasar dari mana dunia fisik dibangun. Mereka juga mengembangkan berbagai aliran pemikiran tentang sifat tertinggi materi. Mungkin yang paling luar biasa adalah sekolah atom yang didirikan oleh orang Yunani kuno Leucippus dari Miletus dan Democritus of Thrace sekitar 440 SM. Untuk alasan yang murni filosofis, dan tanpa manfaat dari bukti eksperimental, mereka mengembangkan gagasan bahwa materi terdiri dari atom yang tidak dapat dibagi dan tidak dapat dihancurkan. Atom-atom dalam gerakan tanpa henti melalui kekosongan di sekitarnya dan bertabrakan satu sama lain seperti bola biliar, sangat mirip dengan teori kinetik gas modern. Namun, perlunya kekosongan (atau kekosongan) antara atom menimbulkan pertanyaan baru yang tidak bisa dijawab dengan mudah. Karena alasan ini, gambaran atom ditolak oleh Aristoteles dan aliran Athena yang mendukung gagasan bahwa materi bersifat berkelanjutan. Namun demikian, gagasan itu tetap bertahan, dan gagasan itu muncul kembali 400 tahun kemudian dalam tulisan-tulisan penyair Romawi Lucretius, dalam karyanya De rerum natura (On the Nature of Things).
Sedikit lagi yang dilakukan untuk memajukan gagasan bahwa materi mungkin terbuat dari partikel kecil hingga abad ke-17. Fisikawan Inggris Isaac Newton, dalam bukunya Principia Mathematica (1687), mengusulkan bahwa hukum Boyle, yang menyatakan bahwa produk tekanan dan volume gas adalah konstan pada suhu yang sama, dapat dijelaskan jika seseorang mengasumsikan bahwa gas itu tersusun dari partikel. Pada tahun 1808 ahli kimia Inggris John Dalton menyarankan bahwa setiap elemen terdiri dari atom yang identik, dan pada tahun 1811 fisikawan Italia Amedeo Avogadro berhipotesis bahwa partikel-partikel unsur dapat terdiri dari dua atau lebih atom yang terikat bersama. Avogadro disebut molekul konglomerasi seperti itu, dan, berdasarkan penelitian eksperimental, ia menduga bahwa molekul-molekul dalam gas hidrogen atau oksigen terbentuk dari pasangan atom.
Selama abad ke-19 di sana dikembangkan gagasan tentang sejumlah elemen, yang masing-masing terdiri dari jenis atom tertentu, yang dapat bergabung dalam cara yang hampir tak terbatas untuk membentuk senyawa kimia. Pada pertengahan abad teori kinetik gas berhasil menghubungkan fenomena seperti tekanan dan viskositas gas dengan gerakan partikel atom dan molekul. Pada tahun 1895, semakin banyak bukti kimia dan keberhasilan teori kinetik menyisakan sedikit keraguan bahwa atom dan molekul itu nyata.
Struktur internal atom, menjadi jelas hanya pada awal abad ke-20 dengan karya fisikawan Inggris Ernest Rutherford dan murid-muridnya. Hingga upaya Rutherford, model atom yang populer adalah apa yang disebut sebagai model "puding prem", didukung oleh fisikawan Inggris Joseph John Thomson, yang berpendapat bahwa setiap atom terdiri dari sejumlah elektron (plum) yang tertanam dalam gel muatan positif (puding); muatan negatif total elektron secara tepat menyeimbangkan muatan positif total, menghasilkan atom yang netral secara listrik. Rutherford melakukan serangkaian eksperimen hamburan yang menantang model Thomson. Rutherford mengamati bahwa ketika seberkas partikel alfa (yang sekarang dikenal sebagai nuklei helium) menabrak lembaran emas tipis, beberapa partikel dibelokkan ke belakang. Lendutan besar seperti itu tidak konsisten dengan model puding prem.
Karya ini mengarah pada model atom Rutherford, di mana nukleus muatan positif yang berat dikelilingi oleh awan elektron cahaya. Inti terdiri dari proton bermuatan positif dan neutron netral elektrik, masing-masing sekitar 1,836 kali lebih besar dari elektron. Karena atom sangat kecil, sifatnya harus disimpulkan dengan teknik eksperimen tidak langsung. Yang paling utama adalah spektroskopi, yang digunakan untuk mengukur dan menginterpretasikan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan atau diserap oleh atom ketika mereka menjalani transisi dari satu keadaan energi ke energi lainnya. Setiap elemen kimia memancarkan energi pada panjang gelombang yang berbeda, yang mencerminkan struktur atomnya. Melalui prosedur mekanika gelombang, energi atom dalam berbagai keadaan energi dan panjang gelombang karakteristik yang dipancarkannya dapat dihitung dari konstanta fisik fundamental tertentu — yaitu, massa dan muatan elektron, kecepatan cahaya, dan konstanta Planck. Berdasarkan konstanta fundamental ini, prediksi numerik mekanika kuantum dapat menjelaskan sebagian besar sifat yang diamati dari atom yang berbeda. Secara khusus, mekanika kuantum menawarkan pemahaman yang mendalam tentang susunan elemen dalam tabel periodik, menunjukkan, misalnya, bahwa elemen dalam kolom yang sama dari tabel harus memiliki sifat yang serupa.
Dalam beberapa tahun terakhir kekuatan dan ketepatan laser telah merevolusi bidang fisika atom. Di satu sisi, laser telah secara dramatis meningkatkan presisi yang dengannya panjang gelombang karakteristik atom dapat diukur. Sebagai contoh, standar waktu dan frekuensi modern didasarkan pada pengukuran frekuensi transisi dalam cesium atom (lihat jam atom), dan definisi meter sebagai satuan panjang sekarang terkait dengan pengukuran frekuensi melalui kecepatan cahaya. Selain itu, laser telah memungkinkan teknologi yang sepenuhnya baru untuk mengisolasi atom individu dalam perangkap elektromagnetik dan mendinginkannya hingga mendekati nol mutlak. Ketika atom dibawa pada dasarnya untuk beristirahat dalam perangkap, mereka dapat menjalani transisi fase mekanis kuantum untuk membentuk superfluid yang dikenal sebagai kondensasi Bose-Einstein, sementara tetap dalam bentuk gas encer. Dalam keadaan materi baru ini, semua atom berada dalam kondisi kuantum koheren yang sama. Sebagai akibatnya, atom-atom kehilangan identitas masing-masing, dan sifat mirip gelombang mekanika kuantum menjadi dominan. Seluruh kondensat kemudian menanggapi pengaruh eksternal sebagai entitas koheren tunggal (seperti sekolah ikan), bukan sebagai kumpulan atom individu. Karya terbaru telah menunjukkan bahwa berkas atom yang koheren dapat diekstraksi dari perangkap untuk membentuk "laser atom" analog dengan berkas foton yang koheren dalam laser konvensional. Laser atom masih dalam tahap awal pengembangan, tetapi memiliki potensi untuk menjadi elemen kunci dari teknologi masa depan untuk pembuatan mikroelektronika dan perangkat skala nano lainnya.
