Vật lý nguyên tử, nghiên cứu khoa học về cấu trúc của nguyên tử, trạng thái năng lượng và tương tác của nó với các hạt khác và với điện trường và từ trường. Vật lý nguyên tử đã được chứng minh là một ứng dụng thành công ngoạn mục của cơ học lượng tử, là một trong những nền tảng của vật lý hiện đại.
Quan niệm cho rằng vật chất được tạo thành từ các khối xây dựng cơ bản có từ thời Hy Lạp cổ đại, người đã suy đoán rằng trái đất, không khí, lửa và nước có thể tạo thành các yếu tố cơ bản mà từ đó thế giới vật chất được xây dựng. Họ cũng phát triển nhiều trường phái tư tưởng khác nhau về bản chất cuối cùng của vật chất. Có lẽ đáng chú ý nhất là trường phái nguyên tử được thành lập bởi người Hy Lạp cổ đại Leucippus của Miletus và Democritus of Thrace khoảng 440 bc. Vì những lý do triết học thuần túy và không có lợi ích từ bằng chứng thực nghiệm, họ đã phát triển quan niệm rằng vật chất bao gồm các nguyên tử không thể phân chia và không thể phá hủy. Các nguyên tử đang chuyển động không ngừng qua khoảng trống xung quanh và va chạm với nhau như quả bóng bi-a, giống như lý thuyết động học hiện đại của chất khí. Tuy nhiên, sự cần thiết cho một khoảng trống (hoặc chân không) giữa các nguyên tử đưa ra những câu hỏi mới không thể dễ dàng trả lời. Vì lý do này, bức tranh nguyên tử đã bị Aristotle và trường Athen từ chối ủng hộ quan niệm rằng vật chất là liên tục. Tuy nhiên, ý tưởng này vẫn tồn tại và nó xuất hiện trở lại 400 năm sau trong các tác phẩm của nhà thơ La Mã Lucretius, trong tác phẩm De rerum natura (Về bản chất của vạn vật).
Một ít nữa đã được thực hiện để thúc đẩy ý tưởng rằng vật chất có thể được tạo thành từ các hạt nhỏ cho đến thế kỷ 17. Nhà vật lý người Anh Isaac Newton, trong cuốn Princia Mathematica (1687), đã đề xuất rằng định luật Boyle, quy định rằng sản phẩm của áp suất và thể tích của khí không đổi ở cùng nhiệt độ, có thể được giải thích nếu người ta cho rằng chất khí là gồm các hạt. Năm 1808, nhà hóa học người Anh John Dalton cho rằng mỗi nguyên tố bao gồm các nguyên tử giống hệt nhau và vào năm 1811, nhà vật lý người Ý Amedeo Avogadro đã đưa ra giả thuyết rằng các hạt của các nguyên tố có thể bao gồm hai hoặc nhiều nguyên tử dính lại với nhau. Avogadro gọi các phân tử tập hợp như vậy, và trên cơ sở công việc thực nghiệm, ông phỏng đoán rằng các phân tử trong khí hydro hoặc oxy được hình thành từ các cặp nguyên tử.
Trong thế kỷ 19, đã phát triển ý tưởng về một số nguyên tố giới hạn, mỗi nguyên tố bao gồm một loại nguyên tử cụ thể, có thể kết hợp theo một số cách gần như vô hạn để tạo thành các hợp chất hóa học. Vào giữa thế kỷ, lý thuyết động học của các chất khí đã quy kết thành công các hiện tượng như áp suất và độ nhớt của chất khí đối với các chuyển động của các hạt nguyên tử và phân tử. Đến năm 1895, trọng lượng ngày càng tăng của bằng chứng hóa học và sự thành công của lý thuyết động học đã khiến người ta nghi ngờ rằng các nguyên tử và phân tử là có thật.
Cấu trúc bên trong của nguyên tử, tuy nhiên, chỉ trở nên rõ ràng vào đầu thế kỷ 20 với công trình của nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford và các sinh viên của ông. Cho đến khi những nỗ lực của Rutherford, một mô hình nguyên tử phổ biến đã được gọi là mô hình mận mận, được nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson ủng hộ, cho rằng mỗi nguyên tử bao gồm một số electron (mận) được nhúng trong gel của điện tích dương (pudding); tổng điện tích âm của các electron cân bằng chính xác tổng điện tích dương, thu được một nguyên tử trung hòa về điện. Rutherford đã tiến hành một loạt các thí nghiệm tán xạ thách thức mô hình của Thomson. Rutherford quan sát thấy rằng khi một chùm các hạt alpha (mà ngày nay được gọi là hạt nhân helium) đập vào một lá vàng mỏng, một số hạt bị lệch về phía sau. Độ lệch lớn như vậy không phù hợp với mô hình mận-mận.
Công trình này đã dẫn đến mô hình nguyên tử của Rutherford, trong đó một hạt nhân nặng mang điện tích dương được bao quanh bởi một đám mây điện tử nhẹ. Hạt nhân này bao gồm các proton tích điện dương và neutron trung tính điện, mỗi hạt có khối lượng xấp xỉ 1,836 lần so với electron. Bởi vì các nguyên tử rất nhỏ, nên các tính chất của chúng phải được suy ra bằng các kỹ thuật thí nghiệm gián tiếp. Đứng đầu trong số này là quang phổ, được sử dụng để đo và giải thích bức xạ điện từ được phát ra hoặc hấp thụ bởi các nguyên tử khi chúng trải qua quá trình chuyển đổi từ trạng thái năng lượng này sang trạng thái năng lượng khác. Mỗi nguyên tố hóa học tỏa năng lượng ở bước sóng đặc biệt, phản ánh cấu trúc nguyên tử của chúng. Thông qua các quy trình của cơ học sóng, năng lượng của các nguyên tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau và các bước sóng đặc trưng mà chúng phát ra có thể được tính từ các hằng số vật lý cơ bản nhất định, cụ thể là khối lượng electron và điện tích, tốc độ ánh sáng và hằng số Planck. Dựa trên các hằng số cơ bản này, các dự đoán số của cơ học lượng tử có thể chiếm phần lớn các tính chất quan sát được của các nguyên tử khác nhau. Cụ thể, cơ học lượng tử cung cấp một sự hiểu biết sâu sắc về sự sắp xếp các phần tử trong bảng tuần hoàn, ví dụ, cho thấy các phần tử trong cùng một cột của bảng nên có các thuộc tính tương tự.
Trong những năm gần đây, sức mạnh và độ chính xác của laser đã cách mạng hóa lĩnh vực vật lý nguyên tử. Một mặt, laser đã tăng đáng kể độ chính xác mà theo đó các bước sóng đặc trưng của các nguyên tử có thể được đo. Ví dụ, các tiêu chuẩn hiện đại về thời gian và tần số dựa trên các phép đo tần số chuyển đổi trong nguyên tử xê-ri (xem đồng hồ nguyên tử) và định nghĩa của đồng hồ là một đơn vị độ dài hiện có liên quan đến các phép đo tần số thông qua vận tốc ánh sáng. Ngoài ra, laser đã tạo ra những công nghệ hoàn toàn mới có thể để cô lập các nguyên tử riêng lẻ trong bẫy điện từ và làm mát chúng đến mức gần như tuyệt đối. Khi các nguyên tử được đưa về cơ bản để nghỉ ngơi trong bẫy, chúng có thể trải qua quá trình chuyển pha cơ học lượng tử để tạo thành một siêu lỏng gọi là ngưng tụ Bose-Einstein, trong khi vẫn ở dạng khí loãng. Trong trạng thái vật chất mới này, tất cả các nguyên tử đều ở trạng thái lượng tử kết hợp giống nhau. Hậu quả là các nguyên tử mất đi bản sắc riêng và tính chất bước sóng cơ học lượng tử của chúng trở nên chiếm ưu thế. Toàn bộ nước ngưng sau đó phản ứng với các ảnh hưởng bên ngoài như một thực thể kết hợp duy nhất (như một trường cá), thay vì như một tập hợp các nguyên tử riêng lẻ. Một nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng một chùm nguyên tử kết hợp có thể được tách ra khỏi bẫy để tạo thành một tia laser nguyên tử có tên lửa tương tự như chùm tia photon kết hợp trong laser thông thường. Laser nguyên tử vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, nhưng nó có tiềm năng trở thành một yếu tố chính của các công nghệ tương lai để chế tạo vi điện tử và các thiết bị nano khác.
