原子物理学，对原子结构，其能量态及其与其他粒子以及与电场和磁场的相互作用的科学研究。事实证明，原子物理学是量子力学的惊人成功应用，而量子力学是现代物理学的基石之一。
物质是由基本构件构成的概念可以追溯到古希腊人，他们推测土，空气，火和水可能构成构成物理世界的基本要素。他们还发展了关于物质最终性质的各种思想流派。也许最引人注目的是约公元前440年由古希腊人米勒图斯（Muctus）的勒库皮（Leucippus）和色雷斯（Thrace）的德cri克利特（Democritus）建立的原子论学校。出于纯粹的哲学原因，并且没有实验证据的帮助，他们提出了物质由不可分割且不可破坏的原子组成的概念。原子不断地运动穿过周围的空隙，并像台球一样相互碰撞，就像现代的气体动力学理论一样。但是，原子之间必须有空隙（或真空），这提出了新的问题，无法轻易回答。因此，亚里斯多德和雅典学派拒绝了原子论的描述，而主张物质是连续的。尽管如此，这个想法仍然存在，并在400年后的罗马诗人Lucretius的作品《自然界》中再次出现。
直到17世纪，人们仍未做任何事情来推进物质可能由细小颗粒组成的想法。英国物理学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）在其《数学原理》（Principia Mathematica，1687年）中提出，如果人们假设气体是由颗粒组成。1808年，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）提出，每个元素都由相同的原子组成，而在1811年，意大利物理学家阿米德奥·阿沃加德罗（Amedeo Avogadro）提出，元素的粒子可能由两个或更多个原子粘合在一起组成。阿伏加德罗（Avogadro）称这种聚集体为分子，根据实验工作，他推测氢或氧的气体中的分子是由成对的原子形成的。
在19世纪，人们提出了一种概念，即有限数量的元素（每种元素都由一种特定类型的原子组成）可以以几乎无限多种方式结合以形成化合物。在本世纪中叶，气体动力学理论成功地将诸如气体的压力和粘度等现象归因于原子和分子粒子的运动。到1895年，化学证据的重量不断增加，动力学理论的成功使人们毫无疑问地认为原子和分子是真实的。
然而，仅在20世纪初，随着英国物理学家欧内斯特·卢瑟福和他的学生们的努力，原子的内部结构才变得清晰。在卢瑟福努力之前，原子的流行模型是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森（Joseph John Thomson）提倡的所谓的“李子-布丁”模型，该模型认为每个原子都由嵌入凝胶中的多个电子（李子）组成。正电荷（布丁）；电子的总负电荷恰好平衡了总正电荷，产生了一个电中性的原子。卢瑟福进行了一系列的散射实验，对汤姆森的模型提出了挑战。卢瑟福观察到，当一束α粒子（现在称为氦核）撞击薄金箔时，一些粒子向后偏转。如此大的挠度与李子布丁模型不一致。
这项工作导致了卢瑟福的原子模型，其中重电荷的正核被光电子云包围。原子核由带正电的质子和电中性中子组成，它们各自的质量约为电子的1836倍。由于原子是如此之细，因此必须通过间接实验技术推断其性质。其中最主要的是光谱学，它用于测量和解释原子在从一种能量状态转换到另一种能量状态时发射或吸收的电磁辐射。每个化学元素都以不同的波长辐射能量，这反映了它们的原子结构。通过波力学的过程，可以从某些基本物理常数（即电子质量和电荷，光速和普朗克常数）计算出处于各种能态的原子的能量及其发射的特征波长。基于这些基本常数，量子力学的数值预测可以解释大多数观察到的不同原子的特性。特别是，量子力学对元素周期表中元素的排列提供了深刻的理解，例如，表明该表同一列中的元素应具有相似的性质。
近年来，激光的功率和精度彻底改变了原子物理学领域。一方面，激光极大地提高了可以测量原子特征波长的精度。例如，现代的时间和频率标准基于原子铯中跃迁频率的测量（请参见原子钟），而仪表的长度单位定义现在与通过光速进行的频率测量有关。另外，激光使隔离电磁陷阱中的单个原子并将其冷却到接近绝对零的全新技术成为可能。当原子基本停滞在阱中时，它们可以经历量子机械相变以形成称为Bose-Einstein缩合的超流体，同时保持稀气体的形式。在这种新的物质状态下，所有原子都处于相同的相干量子态。结果，原子失去了各自的身份，并且它们的量子力学波状性质成为主导。然后，整个冷凝物以单个连贯的实体（如鱼群）而不是单个原子的集合形式对外部影响做出响应。最近的工作表明，可以从陷阱中提取原子的相干束，以形成“原子激光器”，类似于传统激光器中的光子相干束。原子激光器仍处于发展的早期阶段，但它有可能成为制造微电子和其他纳米级器件的未来技术的关键要素。
