А́томная фи́зика, раздел физики, в котором изучают строение и свойства атомов и элементарные процессы, связанные с ними. Атом – система электрически заряженных частиц, поэтому его строение и свойства определяются в основном электромагнитными взаимодействиями между частицами, действующими на расстояниях порядка 10^–8 см с энергией порядка 1 эВ.

Первые представления о существовании атомов как мельчайших неделимых и неизменных частицах вещества высказаны в 5–3 вв. до н. э. в Древней Греции (Демокрит, Эпикур и др.). В 17–18 вв., в период становления точного естествознания, атомистическое представления развивали И. Кеплер, П. Гассенди, Р. Декарт, Р. Бойль, И. Ньютон, М. В. Ломоносов и др. Однако лишь в конце 18 – начале 19 вв. экспериментальные исследования привели к созданию первых атомистических теорий. На основе количественных химических законов и законов идеальных газов в начале 19 в. стала развиваться химическая атомистика (Дж. Дальтон, А. Авогадро, Й. Я. Берцелиус), а к середине 19 в. были разграничены понятия атома и молекулы (С. Канниццаро). В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон и создал периодическую систему химических элементов, носящую его имя. Атомистические представления легли в основу молекулярной физики, в частности кинетической теории газов (середина 19 в.), и статистической физики (Р. Клаузиус, Дж. К. Максвелл, Л. Больцман, Дж. У. Гиббс). Одновременно развивалось учение о внутреннем атомном строении кристаллов и их симметрии (Р. Ж. Гаюи, О. Браве, Е. С. Фёдоров, немецкий кристаллограф А. Шёнфлис).

Построению современной атомной физики в начале 20 в. предшествовали открытия электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) и радиоактивности (1895, А. A. Беккерель), которые опровергли мнение о неделимости атома. Важнейшим событием в атомной физике явилось открытие Э. Резерфордом в 1911 г. атомного ядра, обладающего малыми по сравнению с атомом размерами и сосредоточившего в себе основную массу и положительный заряд атома. Резерфорд предложил т. н. планетарную модель атома: вокруг положительно заряженного массивного ядра двигаются по орбитам лёгкие, отрицательно заряженные электроны. Однако в соответствии с законами классической электродинамики такой атом был бы неустойчивым, т. к. электроны при этом непрерывно излучали бы электромагнитную энергию и за доли секунды упали на ядро. В 1913 г. Н. Бор создал теорию устойчивого атома, положив в её основу эмпирически введённые им квантовые постулаты (постулаты Бора): 1) атом может существовать только в дискретных стационарных состояниях, характеризуемых определёнными внутренними энергиями, причём, находясь в этих состояниях (на определённом уровне энергии), атом устойчив и не испускает электромагнитную энергию; 2) переходы между стационарными состояниями происходят скачкообразно (т. е. его энергия меняется не непрерывно, а скачкообразно); при таком переходе (квантовом переходе) атом поглощает или испускает определённую порцию электромагнитной энергии – квант энергии $E=hν_{ik}$, где $h$ – постоянная Планка, а $ν_{ik}$ – т. н. частота квантового перехода, определяемая энергиями стационарных состояний $i$ и $k$, между которыми совершается переход.

Теория атома Н. Бора позволила объяснить не только устойчивость атома, но и линейчатость атомных спектров, наблюдавшиеся закономерности оптических и рентгеновских спектров, а также периодический закон Менделеева. Для определения возможных дискретных значений энергии атома водорода Бор предположил, что при очень малых $ν$ квантовые и классические результаты должны совпадать (т. н. принцип соответствия), и применил для описания движения электрона и вычисления его энергии классические законы электродинамики. Однако теория Бора оказалась неприменимой к атому гелия и более сложным атомам.

В 1923 г. Л. де Бройль выдвинул гипотезу корпускулярно-волнового дуализма: всем частицам материи присущи свойства как частицы, так и волновые свойства – каждой частице материи можно поставить в соответствие определённую длину волны. Идея де Бройля позволила объяснить существование стационарных состояний атома: возможны лишь такие из них, при которых длина волны электрона укладывается на его орбите целое число раз. Таким образом, электрон в определённом состоянии аналогичен стоячей волне с длиной $λ$, определяющей его энергию $E=hc/λ$ (где $с$ – скорость света) и импульс $p=h/λ$. Развитие идеи де Бройля привело к созданию квантовой механики (В. Гейзенберг, М. Борн, Э. Шрёдингер), на основе которой была создана последовательная теория атома. В соответствии с этой теорией каждое стационарное состояние атома описывается волновой функцией, которая является решением уравнения Шрёдингера. Представления о движении электронов по определённым орбитам оказалось неправильным, т. к. невозможно одновременно точно указать координаты нахождения электрона в данной точке пространства и значение его импульса (соотношение неопределённостей, введённое В. Гейзенбергом в 1927). Можно говорить лишь о распределении электронной плотности или вероятности нахождения электрона в данный момент времени в данной точке пространства, что и определяет его волновая функция.

В 1925 г. в теорию была введена (Дж. Ю. Уленбек и С. Гаудсмит) новая физическая величина – спин электрона (его собственный механический момент, с которым связан собственный магнитный момент электрона). Оказалось, что спином обладают и другие атомные частицы, и атом в целом. Учёт спина позволил объяснить расщепление уровней энергии и спектральных линий атома в электрических и магнитных полях (эффект Зеемана и эффект Штарка), уяснить порядок расположения электронов в атомах различных химических элементов (см. Принцип Паули, Числа заполнения).

Квантовая механика объяснила образование ковалентной химической связи (1927, В. Гайтлер, Ф. В. Лондон), связь атомов в кристаллах, влияние на них внутрикристаллического поля (1929, Х. Бете), межатомные взаимодействия и т. д.

В 1930-х гг. выяснилось, что в атомном ядре между входящими в него частицами действует не электромагнитное взаимодействие, а новый тип взаимодействия – сильное взаимодействие. Физика атомного ядра выделилась в самостоятельную область – ядерную физику. В 1940–1950-х гг. сформировались физика элементарных частиц и физика плазмы. Современная атомная физика включает теорию и экспериментальные методы исследования атомных спектров в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах. Она позволяет получать точные значения энергий стационарных состояний, моментов количества движения и других характеристик атомов, изучает механизмы их возбуждения, столкновительные и внутренние процессы. Эти данные необходимы для создания различных типов лазеров, для физики плазмы, решения астрофизических и космологических задач, для изучения электрических, магнитных и других свойств вещества. Уширение и сдвиг спектральных линий позволяет судить о локальных полях в конденсированных средах, вызвавших эти изменения, о температуре и плотности среды, измерять высокие давления и т. п. Распределение электронной плотности в конденсированных средах, которое определяют, например, методами рентгеновского структурного анализа, позволяет устанавливать характер межатомных связей.

Для определения точных значений атомных характеристик необходимо устранить влияние на атом окружающей среды и «остановить» его, т. к. движение атомов искажает их спектры (например, вызывает доплеровское уширение спектральных линий). Развитие методов изучения «холодных» (остановленных) атомов позволяет получать атомные спектры с шириной спектральных линий, близкой к естественной. Важным достижением науки явилось получение реального изображения отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа.