Fisica atomica, studio scientifico della struttura dell'atomo, dei suoi stati energetici e delle sue interazioni con altre particelle e con campi elettrici e magnetici. La fisica atomica ha dimostrato di essere un'applicazione di successo spettacolare della meccanica quantistica, che è una delle pietre miliari della fisica moderna.
L'idea che la materia sia fatta di mattoni fondamentali risale agli antichi greci, i quali ipotizzavano che terra, aria, fuoco e acqua potessero formare gli elementi di base da cui è costruito il mondo fisico. Hanno anche sviluppato varie scuole di pensiero sulla natura ultima della materia. Forse la più notevole fu la scuola atomista fondata dagli antichi greci Leucippo di Mileto e Democrito di Tracia intorno al 440 aC. Per ragioni puramente filosofiche, e senza beneficiare di prove sperimentali, hanno sviluppato l'idea che la materia sia costituita da atomi indivisibili e indistruttibili. Gli atomi sono in continuo movimento attraverso il vuoto circostante e si scontrano tra loro come palle da biliardo, proprio come la moderna teoria cinetica dei gas. Tuttavia, la necessità di un vuoto (o vuoto) tra gli atomi ha sollevato nuove domande a cui non è stato possibile rispondere facilmente. Per questo motivo, il quadro atomista fu respinto da Aristotele e dalla scuola ateniese a favore dell'idea che la materia è continua. L'idea perseverò e riapparve 400 anni dopo negli scritti del poeta romano Lucrezio, nella sua opera De rerum natura (Sulla natura delle cose).
Poco più è stato fatto per far avanzare l'idea che la materia potesse essere fatta di minuscole particelle fino al 17 ° secolo. Il fisico inglese Isaac Newton, nella sua Principia Mathematica (1687), propose che la legge di Boyle, che afferma che il prodotto della pressione e il volume di un gas è costante alla stessa temperatura, potrebbe essere spiegata se si presume che il gas sia composto da particelle. Nel 1808 il chimico inglese John Dalton suggerì che ogni elemento fosse costituito da atomi identici e nel 1811 il fisico italiano Amedeo Avogadro ipotizzò che le particelle di elementi potessero essere costituite da due o più atomi uniti. Avogadro chiamò tali molecole di conglomerati e, sulla base del lavoro sperimentale, ipotizzò che le molecole in un gas di idrogeno o ossigeno fossero formate da coppie di atomi.
Durante il diciannovesimo secolo si sviluppò l'idea di un numero limitato di elementi, ciascuno costituito da un particolare tipo di atomo, che poteva combinarsi in un numero quasi illimitato di modi per formare composti chimici. A metà del secolo la teoria cinetica dei gas attribuiva con successo fenomeni come la pressione e la viscosità di un gas ai movimenti di particelle atomiche e molecolari. Nel 1895 il crescente peso delle prove chimiche e il successo della teoria cinetica lasciavano pochi dubbi sul fatto che atomi e molecole fossero reali.
La struttura interna dell'atomo, tuttavia, divenne chiara solo all'inizio del XX secolo con il lavoro del fisico britannico Ernest Rutherford e dei suoi studenti. Fino agli sforzi di Rutherford, un modello popolare dell'atomo era stato il cosiddetto modello "budino di prugne", sostenuto dal fisico inglese Joseph John Thomson, il quale sosteneva che ogni atomo era costituito da un numero di elettroni (prugne) incorporati in un gel di carica positiva (budino); la carica negativa totale degli elettroni equilibra esattamente la carica positiva totale, producendo un atomo elettricamente neutro. Rutherford condusse una serie di esperimenti di scattering che sfidarono il modello di Thomson. Rutherford osservò che quando un fascio di particelle alfa (che ora sono conosciute come nuclei di elio) colpì una sottile lamina d'oro, alcune delle particelle furono deviate all'indietro. Tali grandi deflessioni erano incompatibili con il modello di budino di prugne.
Questo lavoro ha portato al modello atomico di Rutherford, in cui un nucleo pesante di carica positiva è circondato da una nuvola di elettroni leggeri. Il nucleo è composto da protoni caricati positivamente e neutroni elettricamente neutri, ciascuno dei quali è circa 1.836 volte più massiccio dell'elettrone. Poiché gli atomi sono così piccoli, le loro proprietà devono essere dedotte da tecniche sperimentali indirette. Il principale tra questi è la spettroscopia, che viene utilizzata per misurare e interpretare la radiazione elettromagnetica emessa o assorbita dagli atomi mentre subiscono transizioni da uno stato di energia a un altro. Ogni elemento chimico irradia energia a lunghezze d'onda distintive, che riflettono la loro struttura atomica. Attraverso le procedure della meccanica ondulatoria, le energie degli atomi in vari stati energetici e le lunghezze d'onda caratteristiche che emettono possono essere calcolate da alcune costanti fisiche fondamentali - vale a dire, massa e carica dell'elettrone, velocità della luce e costante di Planck. Sulla base di queste costanti fondamentali, le previsioni numeriche della meccanica quantistica possono spiegare la maggior parte delle proprietà osservate di diversi atomi. In particolare, la meccanica quantistica offre una profonda comprensione della disposizione degli elementi nella tavola periodica, dimostrando, ad esempio, che gli elementi nella stessa colonna della tabella dovrebbero avere proprietà simili.
Negli ultimi anni la potenza e la precisione dei laser hanno rivoluzionato il campo della fisica atomica. Da un lato, i laser hanno aumentato notevolmente la precisione con cui è possibile misurare le lunghezze d'onda caratteristiche degli atomi. Ad esempio, i moderni standard di tempo e frequenza si basano su misurazioni delle frequenze di transizione nel cesio atomico (vedi orologio atomico) e la definizione del misuratore come unità di lunghezza è ora correlata alle misurazioni di frequenza attraverso la velocità della luce. Inoltre, i laser hanno reso possibili tecnologie completamente nuove per isolare i singoli atomi nelle trappole elettromagnetiche e raffreddarli a zero quasi assoluto. Quando gli atomi vengono portati essenzialmente a riposare nella trappola, possono subire una transizione di fase meccanica quantistica per formare un superfluido noto come condensazione di Bose-Einstein, pur rimanendo nella forma di un gas diluito. In questo nuovo stato della materia, tutti gli atomi si trovano nello stesso stato quantico coerente. Di conseguenza, gli atomi perdono la loro identità individuale e le loro proprietà quantistiche meccaniche ondulate diventano dominanti. L'intero condensato risponde quindi alle influenze esterne come un'unica entità coerente (come una scuola di pesce), anziché come una raccolta di singoli atomi. Recenti lavori hanno dimostrato che un fascio coerente di atomi può essere estratto dalla trappola per formare un "laser atomico" analogo al fascio coerente di fotoni in un laser convenzionale. Il laser atomico è ancora in una fase iniziale di sviluppo, ma ha il potenziale per diventare un elemento chiave delle future tecnologie per la fabbricazione di dispositivi microelettronici e altri dispositivi su nanoscala.
