原子物理學研究原子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部受激狀態(tài)，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認為：宇宙間萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的、永恒不變的物質(zhì)最終單元。
1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認識到原子是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子。于是，經(jīng)典物理學的局限性進一步的暴露出來了。為此，德國科學家普朗克提出了同經(jīng)典物理學相矛盾的假設(shè)：光是由一粒一粒光子組成的。這一假設(shè)導出的結(jié)論和黑體輻射及光電效應的實驗結(jié)果符合。于是，19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現(xiàn)了。
1911年，盧瑟福用粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)原子的絕大部分質(zhì)量，以及內(nèi)部的正電荷集中在原子中心一個很小的區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了一個定性的、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。
原子物理學的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛定諤、狄里克萊等所創(chuàng)建的量子力學和量子電動力學。它們與經(jīng)典力學和經(jīng)典電動力學的主要區(qū)別是：物理量所能取的數(shù)值是不連續(xù)的；它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)律，而是統(tǒng)計規(guī)律。
應用量子力學和量子電動力學研究原子結(jié)構(gòu)、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過程，以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉(zhuǎn)化過程非常成功，理論結(jié)果同最精密的實驗結(jié)果相符合。
微觀客體的一個基本性質(zhì)是波粒二象性。粒子和波是人在宏觀世界的實踐中形成的概念，它們各自描述了迥然不同的客體。但從宏觀世界實踐中形成的概念未必恰巧適合于描述微觀世界的現(xiàn)象。
現(xiàn)在看來，需要粒子和波動兩種概念互相補充，才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現(xiàn)的性質(zhì)。這一基本特點的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測不準原理：不可能同時測準一個粒子的位置和動量，位置測得愈準，動量必然測得愈不準；動量測的愈準，位置必然測得愈不準。