Física atômica, o estudo científico da estrutura do átomo, seus estados de energia e suas interações com outras partículas e com campos elétricos e magnéticos. A física atômica provou ser uma aplicação espetacularmente bem-sucedida da mecânica quântica, que é uma das pedras angulares da física moderna.
A noção de que a matéria é feita de blocos de construção fundamentais data dos antigos gregos, que especularam que terra, ar, fogo e água podem formar os elementos básicos a partir dos quais o mundo físico é construído. Eles também desenvolveram várias escolas de pensamento sobre a natureza última da matéria. Talvez a mais notável tenha sido a escola atomista fundada pelos antigos gregos Leucipo de Mileto e Demócrito da Trácia, por volta de 440 aC. Por razões puramente filosóficas, e sem o benefício de evidências experimentais, eles desenvolveram a noção de que a matéria consiste em átomos indivisíveis e indestrutíveis. Os átomos estão em movimento incessante através do vazio circundante e colidem uns com os outros como bolas de bilhar, bem como a moderna teoria cinética dos gases. No entanto, a necessidade de um vazio (ou vácuo) entre os átomos levantou novas questões que não podiam ser facilmente respondidas. Por essa razão, a imagem atomista foi rejeitada por Aristóteles e pela escola ateniense em favor da noção de que a matéria é contínua. A idéia, no entanto, persistiu e reapareceu 400 anos depois, nos escritos do poeta romano Lucrécio, em sua obra De rerum natura (Sobre a natureza das coisas).
Pouco mais foi feito para avançar a idéia de que a matéria poderia ser feita de pequenas partículas até o século XVII. O físico inglês Isaac Newton, em seu Principia Mathematica (1687), propôs que a lei de Boyle, que afirma que o produto da pressão e do volume de um gás é constante na mesma temperatura, poderia ser explicada se alguém assumir que o gás é composto de partículas. Em 1808, o químico inglês John Dalton sugeriu que cada elemento consistisse em átomos idênticos, e em 1811 o físico italiano Amedeo Avogadro hipotetizou que as partículas dos elementos podem consistir em dois ou mais átomos presos juntos. Avogadro chamou essas moléculas de conglomerações e, com base no trabalho experimental, ele conjeturou que as moléculas de um gás de hidrogênio ou oxigênio são formadas a partir de pares de átomos.
Durante o século 19, desenvolveu-se a idéia de um número limitado de elementos, cada um consistindo em um tipo particular de átomo, que poderia combinar de um número quase ilimitado de maneiras para formar compostos químicos. Em meados do século, a teoria cinética dos gases atribuiu com sucesso fenômenos como a pressão e a viscosidade de um gás aos movimentos de partículas atômicas e moleculares. Em 1895, o crescente peso das evidências químicas e o sucesso da teoria cinética deixaram poucas dúvidas de que átomos e moléculas eram reais.
A estrutura interna do átomo, no entanto, ficou clara apenas no início do século 20, com o trabalho do físico britânico Ernest Rutherford e seus alunos. Até os esforços de Rutherford, um modelo popular do átomo era o chamado "pudim de ameixa", defendido pelo físico inglês Joseph John Thomson, que sustentava que cada átomo consiste em vários elétrons (ameixas) incorporados em um gel de carga positiva (pudim); a carga negativa total dos elétrons equilibra exatamente a carga positiva total, produzindo um átomo eletricamente neutro. Rutherford conduziu uma série de experimentos de dispersão que desafiavam o modelo de Thomson. Rutherford observou que, quando um feixe de partículas alfa (que agora são conhecidas como núcleos de hélio) atingiu uma fina folha de ouro, algumas das partículas foram desviadas para trás. Tais grandes desvios eram inconsistentes com o modelo de pudim de ameixa.
Este trabalho levou ao modelo atômico de Rutherford, no qual um núcleo pesado de carga positiva é cercado por uma nuvem de elétrons leves. O núcleo é composto de prótons carregados positivamente e nêutrons eletricamente neutros, cada um dos quais é aproximadamente 1.836 vezes mais massivo que o elétron. Como os átomos são tão pequenos, suas propriedades devem ser inferidas por técnicas experimentais indiretas. A principal delas é a espectroscopia, que é usada para medir e interpretar a radiação eletromagnética emitida ou absorvida pelos átomos à medida que passam por transições de um estado de energia para outro. Cada elemento químico irradia energia em comprimentos de onda distintos, que refletem sua estrutura atômica. Através dos procedimentos da mecânica das ondas, as energias dos átomos em vários estados de energia e os comprimentos de onda característicos que eles emitem podem ser calculados a partir de certas constantes físicas fundamentais - a saber, massa e carga de elétrons, velocidade da luz e constante de Planck. Com base nessas constantes fundamentais, as previsões numéricas da mecânica quântica podem explicar a maioria das propriedades observadas de diferentes átomos. Em particular, a mecânica quântica oferece uma compreensão profunda do arranjo de elementos na tabela periódica, mostrando, por exemplo, que elementos na mesma coluna da tabela devem ter propriedades semelhantes.
Nos últimos anos, o poder e a precisão dos lasers revolucionaram o campo da física atômica. Por um lado, os lasers aumentaram drasticamente a precisão com a qual os comprimentos de onda característicos dos átomos podem ser medidos. Por exemplo, os padrões modernos de tempo e frequência são baseados em medições de frequências de transição em césio atômico (veja relógio atômico), e a definição do medidor como uma unidade de comprimento agora está relacionada a medições de frequência através da velocidade da luz. Além disso, os lasers tornaram possíveis tecnologias totalmente novas para isolar átomos individuais em armadilhas eletromagnéticas e resfriá-los até o zero absoluto. Quando os átomos são trazidos essencialmente para repousar na armadilha, eles podem sofrer uma transição de fase mecânica quântica para formar um superfluido conhecido como condensação de Bose-Einstein, enquanto permanecem na forma de um gás diluído. Nesse novo estado da matéria, todos os átomos estão no mesmo estado quântico coerente. Como conseqüência, os átomos perdem suas identidades individuais e suas propriedades quânticas como ondas de onda se tornam dominantes. Todo o condensado responde a influências externas como uma única entidade coerente (como um cardume de peixes), em vez de uma coleção de átomos individuais. Trabalhos recentes mostraram que um feixe coerente de átomos pode ser extraído da armadilha para formar um "laser de átomo" análogo ao feixe coerente de fótons em um laser convencional. O laser de átomo ainda está em um estágio inicial de desenvolvimento, mas tem o potencial de se tornar um elemento-chave das futuras tecnologias para a fabricação de dispositivos microeletrônicos e outros dispositivos em nanoescala.
