La física atómica, el estudio científico de la estructura del átomo, sus estados de energía y sus interacciones con otras partículas y con campos eléctricos y magnéticos. La física atómica ha demostrado ser una aplicación espectacularmente exitosa de la mecánica cuántica, que es una de las piedras angulares de la física moderna.
La noción de que la materia está hecha de bloques de construcción fundamentales data de los antiguos griegos, quienes especularon que la tierra, el aire, el fuego y el agua podrían formar los elementos básicos a partir de los cuales se construye el mundo físico. También desarrollaron varias escuelas de pensamiento sobre la naturaleza última de la materia. Quizás lo más notable fue la escuela atomista fundada por los antiguos griegos Leucipo de Mileto y Demócrito de Tracia alrededor del 440 a. C. Por razones puramente filosóficas, y sin el beneficio de la evidencia experimental, desarrollaron la noción de que la materia consiste en átomos indivisibles e indestructibles. Los átomos están en movimiento incesante a través del vacío circundante y chocan entre sí como bolas de billar, al igual que la teoría cinética moderna de los gases. Sin embargo, la necesidad de un vacío (o vacío) entre los átomos generó nuevas preguntas que no pudieron ser respondidas fácilmente. Por esta razón, la imagen atomista fue rechazada por Aristóteles y la escuela ateniense en favor de la noción de que la materia es continua. Sin embargo, la idea persistió y reapareció 400 años después en los escritos del poeta romano Lucrecio, en su obra De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas).
Poco más se hizo para avanzar la idea de que la materia podría estar hecha de pequeñas partículas hasta el siglo XVII. El físico inglés Isaac Newton, en su Principia Mathematica (1687), propuso que la ley de Boyle, que establece que el producto de la presión y el volumen de un gas es constante a la misma temperatura, podría explicarse si se supone que el gas es compuesto de partículas. En 1808, el químico inglés John Dalton sugirió que cada elemento consta de átomos idénticos, y en 1811 el físico italiano Amedeo Avogadro planteó la hipótesis de que las partículas de los elementos pueden consistir en dos o más átomos unidos. Avogadro llamó a tales moléculas de conglomeración y, sobre la base del trabajo experimental, conjeturó que las moléculas en un gas de hidrógeno u oxígeno se forman a partir de pares de átomos.
Durante el siglo XIX se desarrolló la idea de un número limitado de elementos, cada uno de los cuales consistía en un tipo particular de átomo, que podrían combinarse en un número casi ilimitado de formas de formar compuestos químicos. A mediados de siglo, la teoría cinética de los gases atribuyó con éxito fenómenos como la presión y la viscosidad de un gas a los movimientos de las partículas atómicas y moleculares. Para 1895, el creciente peso de la evidencia química y el éxito de la teoría cinética dejaron pocas dudas de que los átomos y las moléculas eran reales.
Sin embargo, la estructura interna del átomo se hizo evidente solo a principios del siglo XX con el trabajo del físico británico Ernest Rutherford y sus estudiantes. Hasta los esfuerzos de Rutherford, un modelo popular del átomo había sido el llamado modelo "pudín de ciruela", defendido por el físico inglés Joseph John Thomson, que sostenía que cada átomo consiste en una serie de electrones (ciruelas) incrustados en un gel de carga positiva (pudín); La carga negativa total de los electrones equilibra exactamente la carga positiva total, produciendo un átomo que es eléctricamente neutro. Rutherford realizó una serie de experimentos de dispersión que desafiaron el modelo de Thomson. Rutherford observó que cuando un haz de partículas alfa (que ahora se sabe que son núcleos de helio) golpea una delgada lámina de oro, algunas de las partículas se desvían hacia atrás. Tales desviaciones grandes eran inconsistentes con el modelo de pudín de ciruela.
Este trabajo condujo al modelo atómico de Rutherford, en el que un núcleo pesado de carga positiva está rodeado por una nube de electrones de luz. El núcleo está compuesto de protones cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros, cada uno de los cuales es aproximadamente 1.836 veces más masivo que el electrón. Debido a que los átomos son tan pequeños, sus propiedades deben inferirse mediante técnicas experimentales indirectas. La principal de ellas es la espectroscopía, que se utiliza para medir e interpretar la radiación electromagnética emitida o absorbida por los átomos a medida que experimentan transiciones de un estado de energía a otro. Cada elemento químico irradia energía en longitudes de onda distintivas, que reflejan su estructura atómica. A través de los procedimientos de la mecánica ondulatoria, las energías de los átomos en varios estados de energía y las longitudes de onda características que emiten pueden calcularse a partir de ciertas constantes físicas fundamentales, a saber, la masa y carga de electrones, la velocidad de la luz y la constante de Planck. Basado en estas constantes fundamentales, las predicciones numéricas de la mecánica cuántica pueden explicar la mayoría de las propiedades observadas de diferentes átomos. En particular, la mecánica cuántica ofrece una comprensión profunda de la disposición de los elementos en la tabla periódica, mostrando, por ejemplo, que los elementos en la misma columna de la tabla deberían tener propiedades similares.
En los últimos años, el poder y la precisión de los láseres han revolucionado el campo de la física atómica. Por un lado, los láseres han aumentado dramáticamente la precisión con la que se pueden medir las longitudes de onda características de los átomos. Por ejemplo, los estándares modernos de tiempo y frecuencia se basan en mediciones de frecuencias de transición en cesio atómico (ver reloj atómico), y la definición del medidor como unidad de longitud ahora está relacionada con las mediciones de frecuencia a través de la velocidad de la luz. Además, los láseres han hecho posibles tecnologías completamente nuevas para aislar átomos individuales en trampas electromagnéticas y enfriarlos hasta casi cero absoluto. Cuando los átomos se depositan esencialmente en la trampa, pueden experimentar una transición de fase mecánica cuántica para formar un superfluido conocido como condensación de Bose-Einstein, mientras permanecen en forma de un gas diluido. En este nuevo estado de la materia, todos los átomos están en el mismo estado cuántico coherente. Como consecuencia, los átomos pierden sus identidades individuales y sus propiedades mecánicas de onda cuántica se vuelven dominantes. Todo el condensado responde a las influencias externas como una entidad coherente (como un banco de peces), en lugar de una colección de átomos individuales. Un trabajo reciente ha demostrado que se puede extraer un haz coherente de átomos de la trampa para formar un "láser atómico" análogo al haz coherente de fotones en un láser convencional. El láser atómico aún se encuentra en una etapa temprana de desarrollo, pero tiene el potencial de convertirse en un elemento clave de las tecnologías futuras para la fabricación de dispositivos microelectrónicos y otros dispositivos a nanoescala.
