研究原子的結構、運動規律及相互作用的物理學分支學科。原子由基本粒子組成，同時又是分子及各宏觀物質組成的基本單元。所以，原子物理與粒子物理學及其基本物理問題的研究有密切關係，又與分子物理學、光物理學、凝聚態物理學、化學等理論學科與應用學科交叉。1959年，R.P.費因曼指出瞭在微小尺度上研製元器件和記錄資訊等的可能性，提出瞭根據需要“重新安排原子”的思想，原子物理在其中的作用更不言而喻。
>學科的創建 “原子”作為物質組成基本單元的概念，古代希臘即已提出，但僅是一種哲學假說。20世紀初對原子才有相當的瞭解，知道原子的大小和質量，認識到原子內部應該包含有帶負電荷的電子和帶正電荷的物質。對原子光譜也有較多的研究，發現瞭部分原子譜線頻率值分佈的經驗規律。但原子的內部正電荷如何分佈及原子的結構仍是一個謎，是當時物理學的重大難題之一。
前期的工作 1911年，E.盧瑟福根據他所做的α粒子散射實驗結果，提出瞭原子的核模型（見原子結構）。1913年，N.玻爾向近代物理學方向跨進瞭一大步。他部分地拋棄瞭經典概念，成功地構造瞭量子化規則，提出瞭分立的能級結構，並用以正確地解釋瞭氫光譜的結構。由理論求出的裡德伯常數與實驗一致。這是一項重大的成就（見玻爾氫原子理論）。
玻爾理論有很大的局限性。直到1925年，L.V.德佈羅意提出物質波設想，E.薛定諤等人發展瞭量子力學，真正令人滿意的原子理論才被找到。這個基本理論，以薛定諤方程為表示形式，結合電子具有自旋及泡利不相容原理，能夠解釋復雜原子的結構和光譜（見原子的量子理論）。1928年，P.A.M.狄拉克統一瞭量子力學和狹義相對論，建立瞭相對論性的薛定諤方程，它對氫原子光譜提供瞭近乎精確的描述。這是早期理論的頂點。量子力學建立後，原子物理學的研究活動蓬勃發展起來。
原子結構和原子光譜 薛定諤方程隻對氫原子有精確解。為瞭從理論上研究復雜原子結構，發展瞭有效的近似計算方法。隨著大型計算機的應用，計算方法日益復雜、細致，計算工作量日益龐大，計算精度隨之提高。幾十年來已積累瞭大量的有關原子能級結構、躍遷概率等的數據資料。這類工作仍在進展中。原子光譜的實驗工作亦大量展開。原子物理學已滲入到多種基礎學科與技術學科中去，這些學科是分子物理學、化學、天體物理學、空間與大氣物理學、物理力學等。原子光譜分析方法有廣泛的應用。研究用原子作增益介質的激光以及X射線激光，其基礎是原子物理學。建立更準確的微波及光學頻率標準是原子物理學應用中追求的另一目標。在核裂變和核聚變過程的研究中，也要用到有關的原子數據。激光技術使原子光譜研究在多方面出現瞭突破性的進展（見激光光譜學、原子光譜）。研究極端條件下原子的行為，也是原子物理學的一個方面。
原子碰撞 原子碰撞和原子光譜是研究原子的兩種主要實驗方法。原子碰撞研究原子與粒子相互作用的動態過程及其後果。早期的α散射實驗和夫蘭克–赫茲實驗，都是比較簡單的碰撞實驗。實際上，兩個粒子非常接近時，都可能強烈地受到對方的影響，組成瞬間的復合體系，以後再分開。這過程中可能出現能量的交換，電子的獲得、丟失或交換，還可能發生化學反應。這裡原子的速度及量子狀態，包括原子中電子軌道及自旋的取向等因素，都可能影響碰撞過程。原子碰撞理論在量子力學建立後即開始研究，隨著大型計算機的應用而不斷發展，現可分析復雜的碰撞過程。實驗技術也日趨完善，測量粒子的束流強度、碰撞後的散射角度和能量的精度不斷提高。可用激光使粒子先處在特定的能級上，或使原子運動速率變得極小形成超慢原子，然後碰撞。這些都擴大瞭碰撞研究的范圍。原子的碰撞在氣體和等離子體中，在放電、燃燒等過程中大量出現。研究碰撞過程，對天體物理、大氣物理、核裂變和核聚變以及含氣體的光電器件、工業等離子體等都是非常重要的。
新研究領域開拓 由於原子物理學的基礎性質，前沿性研究中常導致新研究領域的誕生，以下是兩個重要方面。
磁共振 在原子能級精細結構或超精細結構內的塞曼能級之間發生的磁偶極躍遷稱為原子的磁共振，其頻率在射頻區。如原子基態的量子數J為零，則塞曼分裂完全源於核磁矩，由此產生原子的核磁共振。1939年，I.I.拉比用原子束技術實現瞭原子磁共振。隨後，用此法制成原子頻標。40年代後，凝聚態物質的核磁共振實驗成功。隨後，用光抽運法實現瞭氣體原子磁共振（見光磁共振）。
量子放大與振蕩 A.愛因斯坦早就指出受激躍遷的存在。總體處於受激發射狀態下的介質，能放大相應頻率的入射電磁波，這就是量子放大。當正反饋足夠大時，量子放大轉為量子振蕩。20世紀50年代，C.H.湯斯和N.F.拉姆齊分別研制成微波段的分子和原子的量子放大和振蕩器。湯斯把他創造的新學科稱為量子電子學。把器件稱作微波激射器，由此研制出的重要器件之一是氫原子頻標。60年代微波激射發展為激光。
物理基本問題研究 主要涉及量子電動力學理論的驗證，量子力學基本原理的探討，相對論、宇稱不守恒等重大問題。
蘭姆移位 1947年，W.E.蘭姆發現氫原子的蘭姆移位，促進瞭量子電動力學的發展。以後研究不斷，測量準確度已達10−6～10−7，與理論計算結果仍保持一致。研究還擴展到二價氦原子、多種類氫、類氦離子和奇特原子。
奇特原子 奇特原子的光譜涉及粒子物理、量子電動力學等問題。最簡單的奇特原子是電子偶素，它是一對正負電子由庫侖力結合成的類氫原子，其光譜頻率約為氫的一半。制備奇特原子需要粒子物理技術。已研究瞭一些奇特原子的光譜，對其頻率的測量已達相當精度。
宇稱不守恒 某些宇稱不守恒在原子中有非常微弱的影響，可通過光譜實驗來研究。雖然實驗的難度大，但已有若幹結果（見對稱性和守恒律）。
量子力學基本原理和概念的詮釋 諸如不確定度關系、EPR佯謬等問題。這是一個長期爭論的問題，20世紀最後20年間有瞭重大進展。一些精心設計的實驗（許多是原子物理實驗）及對其結果的理論分析，揭示瞭新的物理現象，澄清瞭長期存在的疑難問題，肯定瞭迄今為止量子力學正統解釋的正確性。進一步的研究仍在進行中。
腔量子電動力學 對單個原子和單個光子拘禁於微型光腔中的行為，現在可用實驗進行研究，這極有利於研究原子與輻射場相互作用的最基本的物理過程。
研究的新領域 比較新近的研究集中於離子和原子囚禁、冷原子、超冷原子以及量子信息庫等方面。
離子和原子囚禁 離子、原子可被囚禁，並用激光冷卻。離子的囚禁始於20世紀70年代。真空中設置電場和磁場，使離子在其中感受到一個勢能阱。如離子進入時的動能小於阱深，它就被囚禁在阱中。這有利於研究精確譜和碰撞。用激光能使被囚禁的離子冷卻。曾用此法囚禁單個正電子、負電子，並精確測出其磁矩。80年代發展瞭原子的囚禁與冷卻方法。現在能使原子溫度降至納開(nK)量級。1997年，朱棣文、C.科昂–塔努吉和W.D.菲利普斯由於相關的工作獲諾貝爾物理學獎。
冷原子 冷原子具有獨特的性質。1995年，當把阱中銣原子溫度降至nK量級時，實現瞭稀薄氣體的玻色–愛因斯坦凝聚。這是S.玻色和A.愛因斯坦20年代就預言的現象：當玻色子（這裡指總自旋為整數的原子）的溫度足夠低時，所有的粒子均處於相同的量子態，而形成一種量子力學相幹的“凝聚體”。1998年設法將凝聚體輸出阱外，形成一個相幹的原子束，即所謂“原子激光”。它可類似於光波那樣地分束和幹涉。這給原子光學和原子幹涉帶來瞭革命。2001年，E.A.科納爾、W.克特勒和C.E.威曼由於這方面的工作獲諾貝爾物理學獎。
超冷原子 超冷原子的應用研究已在多方面展開，有突出成績的是在精確譜和原子頻標研究方面。在“原子噴泉”方案中，冷原子以小的初速度被豎直上拋，然後依原路下降，途中兩次經過微波諧振腔，由於量子幹涉而產生極窄的磁共振信號。由此制成的銫原子頻標，頻率準確度為2×10−15，優於原有的銫頻標。在光頻方面，2001年用新的測頻方法，分別測量阱中冷卻的40Ca和199Hg+的光譜線各一條，頻率準確度也已達10−15量級，預計光頻測量的準確度將更優於微波頻標。而玻色–愛因斯坦凝聚和原子激光的研究將在精確測量、納米技術和全息攝影等領域得到重要應用。
量子信息庫 量子信息學於20世紀末興起，包括量子計算的研究。以微觀粒子的兩個能級分別代表1和0，用輻射場驅動，使在1與0之間轉換。在一種量子計算實驗方案中，利用在阱中冷卻的離子，使它們排成一條線，有相對穩定的距離。粒子間的弱耦合使它們形成一個計算系統。已經用這種方法演示瞭簡單的邏輯門運作。這實際上就是重新安排原子，以適應量子計算的特殊需要。量子計算的實驗難度非常高，而對它的寄望也非常大。
推薦書目
徐克尊. 高等原子分子物理學. 北京: 科學出版社, 2000.
鄭樂民. 原子物理. 北京: 北京大學出版社, 2000.