Atomphysik, die wissenschaftliche Untersuchung der Struktur des Atoms, seiner Energiezustände und seiner Wechselwirkungen mit anderen Teilchen sowie mit elektrischen und magnetischen Feldern. Die Atomphysik hat sich als spektakulär erfolgreiche Anwendung der Quantenmechanik erwiesen, die einer der Eckpfeiler der modernen Physik ist.
Die Vorstellung, dass Materie aus grundlegenden Bausteinen besteht, stammt von den alten Griechen, die spekulierten, dass Erde, Luft, Feuer und Wasser die Grundelemente bilden könnten, aus denen die physische Welt aufgebaut ist. Sie entwickelten auch verschiedene Denkschulen über die ultimative Natur der Materie. Am bemerkenswertesten war vielleicht die Atomistenschule, die um 440 v. Chr. Von den alten Griechen Leukipp von Milet und Demokrit von Thrakien gegründet wurde. Aus rein philosophischen Gründen und ohne experimentelle Beweise entwickelten sie die Vorstellung, dass Materie aus unteilbaren und unzerstörbaren Atomen besteht. Die Atome bewegen sich unaufhörlich durch die umgebende Leere und kollidieren wie Billardkugeln miteinander, ähnlich wie die moderne kinetische Theorie der Gase. Die Notwendigkeit einer Leere (oder eines Vakuums) zwischen den Atomen warf jedoch neue Fragen auf, die nicht einfach zu beantworten waren. Aus diesem Grund wurde das atomistische Bild von Aristoteles und der Athener Schule zugunsten der Vorstellung abgelehnt, dass Materie kontinuierlich ist. Die Idee blieb jedoch bestehen und tauchte 400 Jahre später in den Schriften des römischen Dichters Lucretius in seinem Werk De rerum natura (Über die Natur der Dinge) wieder auf.
Es wurde wenig mehr getan, um die Idee voranzutreiben, dass Materie bis zum 17. Jahrhundert aus winzigen Teilchen bestehen könnte. Der englische Physiker Isaac Newton schlug in seiner Principia Mathematica (1687) vor, dass das Boyle'sche Gesetz, das besagt, dass das Produkt aus Druck und Volumen eines Gases bei derselben Temperatur konstant ist, erklärt werden könnte, wenn man annimmt, dass das Gas ist zusammengesetzt aus Partikeln. 1808 schlug der englische Chemiker John Dalton vor, dass jedes Element aus identischen Atomen besteht, und 1811 stellte der italienische Physiker Amedeo Avogadro die Hypothese auf, dass die Teilchen von Elementen aus zwei oder mehr zusammengeklebten Atomen bestehen könnten. Avogadro nannte solche Konglomerationsmoleküle, und auf der Grundlage experimenteller Arbeiten vermutete er, dass die Moleküle in einem Gas aus Wasserstoff oder Sauerstoff aus Atompaaren gebildet werden.
Im 19. Jahrhundert entstand die Idee einer begrenzten Anzahl von Elementen, die jeweils aus einem bestimmten Atomtyp bestehen und sich auf nahezu unbegrenzte Weise zu chemischen Verbindungen verbinden lassen. Mitte des Jahrhunderts führte die kinetische Theorie der Gase Phänomene wie den Druck und die Viskosität eines Gases erfolgreich auf die Bewegungen atomarer und molekularer Teilchen zurück. Bis 1895 ließen das wachsende Gewicht chemischer Beweise und der Erfolg der kinetischen Theorie kaum Zweifel daran aufkommen, dass Atome und Moleküle real waren.
Die innere Struktur des Atoms wurde jedoch erst im frühen 20. Jahrhundert durch die Arbeit des britischen Physikers Ernest Rutherford und seiner Studenten deutlich. Bis zu Rutherfords Bemühungen war ein beliebtes Modell des Atoms das sogenannte "Plum-Pudding" -Modell, das vom englischen Physiker Joseph John Thomson vertreten wurde und der besagte, dass jedes Atom aus einer Reihe von Elektronen (Pflaumen) besteht, die in ein Gel eingebettet sind von positiver Ladung (Pudding); Die gesamte negative Ladung der Elektronen gleicht genau die gesamte positive Ladung aus und ergibt ein Atom, das elektrisch neutral ist. Rutherford führte eine Reihe von Streuexperimenten durch, die das Thomson-Modell in Frage stellten. Rutherford beobachtete, dass einige der Partikel nach hinten abgelenkt wurden, als ein Strahl von Alpha-Partikeln (von denen heute bekannt ist, dass sie Heliumkerne sind) auf eine dünne Goldfolie traf. Solche großen Durchbiegungen stimmten nicht mit dem Plum-Pudding-Modell überein.
Diese Arbeit führte zu Rutherfords Atommodell, in dem ein schwerer Kern positiver Ladung von einer Wolke leichter Elektronen umgeben ist. Der Kern besteht aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen, von denen jedes ungefähr 1.836-mal so massereich ist wie das Elektron. Weil Atome so klein sind, müssen ihre Eigenschaften durch indirekte experimentelle Techniken abgeleitet werden. Dazu gehört vor allem die Spektroskopie, mit der die von Atomen beim Übergang von einem Energiezustand in einen anderen emittierte oder absorbierte elektromagnetische Strahlung gemessen und interpretiert wird. Jedes chemische Element strahlt Energie mit unterschiedlichen Wellenlängen aus, die ihre Atomstruktur widerspiegeln. Durch die Verfahren der Wellenmechanik können die Energien von Atomen in verschiedenen Energiezuständen und die charakteristischen Wellenlängen, die sie emittieren, aus bestimmten physikalischen Grundkonstanten berechnet werden - nämlich Elektronenmasse und Ladung, Lichtgeschwindigkeit und Plancksche Konstante. Basierend auf diesen Grundkonstanten können die numerischen Vorhersagen der Quantenmechanik die meisten beobachteten Eigenschaften verschiedener Atome erklären. Insbesondere bietet die Quantenmechanik ein tiefes Verständnis der Anordnung von Elementen im Periodensystem und zeigt beispielsweise, dass Elemente in derselben Spalte des Tisches ähnliche Eigenschaften haben sollten.
In den letzten Jahren haben die Leistung und Präzision von Lasern das Gebiet der Atomphysik revolutioniert. Einerseits haben Laser die Genauigkeit, mit der die charakteristischen Wellenlängen von Atomen gemessen werden können, dramatisch erhöht. Beispielsweise basieren moderne Zeit- und Frequenzstandards auf Messungen von Übergangsfrequenzen in atomarem Cäsium (siehe Atomuhr), und die Definition des Messgeräts als Längeneinheit bezieht sich nun auf Frequenzmessungen durch die Lichtgeschwindigkeit. Darüber hinaus haben Laser völlig neue Technologien ermöglicht, um einzelne Atome in elektromagnetischen Fallen zu isolieren und auf nahezu absoluten Nullpunkt abzukühlen. Wenn die Atome im Wesentlichen in der Falle zur Ruhe gebracht werden, können sie einen quantenmechanischen Phasenübergang durchlaufen, um ein Superfluid zu bilden, das als Bose-Einstein-Kondensation bekannt ist, während sie in Form eines verdünnten Gases verbleiben. In diesem neuen Materiezustand befinden sich alle Atome im gleichen kohärenten Quantenzustand. Infolgedessen verlieren die Atome ihre individuelle Identität und ihre quantenmechanischen wellenförmigen Eigenschaften werden dominant. Das gesamte Kondensat reagiert dann auf äußere Einflüsse als eine einzige zusammenhängende Einheit (wie eine Fischschwarm) anstatt als eine Ansammlung einzelner Atome. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass ein kohärenter Atomstrahl aus der Falle extrahiert werden kann, um einen "Atomlaser" zu bilden, der dem kohärenten Photonenstrahl eines herkömmlichen Lasers entspricht. Der Atomlaser befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, kann jedoch zu einem Schlüsselelement zukünftiger Technologien für die Herstellung mikroelektronischer und anderer nanoskaliger Bauelemente werden.
