原子由微小的电子和原子核组成，同时又是分子及各宏观物质组成的基本单元。因此，原子物理学已渗入多种基础学科与技术学科，与研究更小世界的核物理学和粒子物理学有密切关系，又与研究更大尺度和世界的分子物理学、光物理学、凝聚态物理学、激光技术、核聚变、化学、材料科学、生物学、空间与大气物理、天体物理学、物理力学等基础与技术学科发生交叉。原子物理利用了其他一些学科的理论和技术，如激光原理和技术、核探测技术等；同时，原子物理的光谱和碰撞数据、方法及技术也广泛应用到其他学科和技术中，如荧光和激光光谱分析、激光与X射线激光、微波与光学频率标准、磁共振技术、医学物理、核裂变和核聚变研究中有关的原子数据等。

“原子”作为物质组成的基本单元在古希腊就已提出，但仅是一种哲学假说。18世纪末通过实验发现，在化学反应中每种化合物的各元素都有确定的组成，不同化合物中同种元素的量成一定的整数比。因此，1803年英国物理学家J.道尔顿提出了原子论，认为宏观物质是由少数几种原子组成的，同种原子具有相同的质量。19世纪时逐步认识到，原子是电中性的，它的大小和质量都很小；对原子光谱也有较多的研究，发现了部分原子谱线频率值分布的规律。

1897年英国物理学家J.J.汤姆孙通过阴极射线实验发现了电子，确定了电子的电荷和质量。1904年他提出原子正电荷均匀分布于整个原子球体的汤姆孙原子模型。1911年英国物理学家E.卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核模型：原子是由处于中心的带正电荷的原子核和外围分布的若干个带负电荷的电子组成。1913年，丹麦科学家N.玻尔部分抛弃了经典概念，提出了电子在分立的轨道运动和原子具有不连续的定态能级结构的假设，并用他的观念正确地解释了氢光谱的结构。1925年，法国理论物理学家L.V.德布罗意提出物质波设想，奥地利物理学家E.薛定谔等发展了量子力学，真正令人满意的原子理论才被找到。这个基本理论，以薛定谔方程为表示形式，结合电子具有自旋且遵从泡利不相容原理，从而能够解释复杂原子的结构和光谱。1928年，英国理论物理学家P.A.M.狄拉克统一了量子力学和狭义相对论，建立了相对论性的量子力学方程，它对氢原子光谱提供了非常精确的描述。

20世纪的前30年，原子物理学处于物理学的前沿，发展很快，促进了量子力学的建立，开创了近代物理的新时代。随后很多物理学家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，原子物理的发展较为缓慢。20世纪70年代后，随着窄线宽调谐激光器而发展的激光光谱学，以及高分辨电子能谱仪和进一步发展的电子碰撞谱学，还有射频和微波波谱学、电子学、超低温冷却、超强电和磁场、计算机等技术的诞生与发展，光谱分辨达到10^-7赫，时间分辨达到10^-12秒，空间分辨达到光谱波长的数量级，可以进行更大、更复杂的理论计算，原子物理学的研究又重新被重视并取得很大进展。发现了很多新现象和问题，形成如下新的研究高潮。

薛定谔方程只对氢原子有精确解，复杂原子的能级结构和碰撞动力学的研究必须有更好的实验测量和理论计算手段。大型计算机的应用和多种有效的近似计算方法的发展，使复杂计算得以进行，计算精度大大提高。高分辨激光光谱、强激光饱和吸收和多光子吸收光谱、束箔光谱、同步辐射光谱等实验技术和方法的出现，使光谱学的测量在能量、时间和空间上实现了高分辨，从而得到和积累了大量原子光谱数据。

当原子与另一个粒子接近时，可能发生能量和动量的交换，以及电子的获得、丢失或交换，这就是原子碰撞。原子碰撞能测量出射粒子的能量、强度和角分布，得到各种与原子的量子态有关的碰撞截面，获得原子的能级结构、能级宽度和跃迁速率等动力学数据，是研究原子的一种主要实验方法。早期的α散射实验和夫兰克-赫兹实验是简单的碰撞实验，后来发展了电子束、离子束、激光束、同步辐射、中性原子分子束、冷原子等多种粒子源，特别是电子能量损失谱和动量谱还能得到原子和分子的波函数信息。此外，还发展了各种新的探测器、能谱仪和信号检测技术，以及新的实验数据处理和理论计算方法，可以进行和分析各种复杂的碰撞过程，如：超弹性散射、顺磁共振、振激和振离、碰撞后作用、电离激发、共振俄歇效应、受激拉曼效应、彭宁电离、电子脱附、电荷交换过程、化学位移等，使原子碰撞物理研究的内容和应用更加广泛。

通过上述原子光谱和碰撞方法，再加上极端物理条件（高温、低温、高压、强场等），积累了大量的有关原子能级结构、跃迁速率、碰撞截面等的数据资料，从而对原子的激发态结构和精细结构有了更多的了解。例如：里德伯态、自电离态和超激发态、高离化态、双电子激发态、X射线吸收精细结构、费希巴赫共振、形状共振、玻色-爱因斯坦凝聚等。

随着物理学、计量学以及受控核聚变、核武器、激光武器、空间技术等的发展，对各种物理量数据的准确度要求越来越高。精密测量内容涵盖原子核的电、磁矩与原子内、外电磁场作用和高阶量子电动力学效应等产生的原子超精细能级结构的精确分析与量度，基本物理常数和各种物理量的精密测量，以及精密物理实验与其所需要使用的一些新技术。由于其理论和应用意义，这方面测量和研究不断进行，一直是一个活跃前沿。如波谱技术、激光光谱技术和电子能谱技术等高分辨技术的发展；磁共振、离子阱、冷原子和光梳等技术的发展；原子能级、光谱、跃迁概率、碰撞截面等各种精确数据、基本物理常数的精确测量；通过兰姆移位和电子反常磁矩的精确测量对量子电动力学进行的精确检验；频率、时间和长度的计量标准以及在频标方面的应用；磁共振成像技术在医学和生物学中的广泛应用。许多从事这方面工作的物理学家获得诺贝尔物理学奖。

普通原子由质子和中子组成的带正电的核与核外带负电的电子形成的，它们具有一定的稳定性，在周期表上有一定位置。实际上还存在一类奇特原子，甚至奇特分子。在它们内部，普通原子中的电子和原子核内质子分别或两者都被其他种粒子替代，这些粒子有m^±轻子、p^±、K^±介子、正电子、反质子等。奇特原子也是一种通过电磁相互作用形成的量子力学体系，也称为奇异原子，如由电子和正电子形成的是电子偶素，由质子和反质子形成的是质子偶素，由正电子和反质子形成的是反氢原子等。此外，两个高原子序数的离子和原子反应形成的超高原子序数原子或离子的性质也较为特殊，对生产新核素有重要意义。

由μ^-子取代普通原子中一个电子形成的μ原子是最早发现的奇特原子，中国物理学家张文裕在云室中最早发现μ原子能级之间跃迁时放出X射线。大多数奇特原子都是由高能作用产生的轻子、介子和重子形成，它们的寿命都大于电磁相互作用引起的转化和跃迁过程的特征时间（10^-11秒），在它们衰变之前有足够的时间形成奇特原子。还有些粒子，如τ^±轻子、D^±介子、Σ^±重子等，寿命较短或产生数量较小，对它们研究较少。此外，在实验研究中更容易实现的是带负电荷的粒子与原子核形成的奇特原子。

奇特原子的性质与这些粒子的性质有密切关系，它们的光谱和能级结构涉及原子物理、粒子物理、核物理、天体物理、化学和量子电动力学，因而对奇特原子和上述粒子的研究能够促进它们相互渗透，具有重要意义。例如，可以检验狄拉克方程以外的其他方程；研究静电力与库仑力的偏离、原子核大小效应；用μ原子验证电弱统一理论；用奇特原子的形成和衰变以及能级的分裂和移动，测量生成奇特原子的粒子的基本物理量和性质等。

普通的塞曼效应、斯塔克效应和电子顺磁共振现象研究的是在实验室内通常有的电场和磁场对基态原子的能级和光谱结构的影响，这种影响相对较小，是一种精细结构和超精细结构效应。强场效应研究的是在外加的静电场、静磁场、交变电磁场或激光场的场强大到不能作为微扰时对原子的物理特性的影响。这种影响与弱场情况有很大不同，不仅影响能级和光谱结构，还发现一些新现象，如强激光场中的阈上电离、隧道电离、越垒电离、多光子电离，以及高次谐波与X射线、γ射线的产生。此外，强场效应也获得许多应用，如高能电子在强扭摆磁场中产生激光、强激光场诱导核聚变等。

几乎处于静止状态的冷原子或带电粒子具有独特的性质，如由于密度稀薄，相互之间作用很小，在极稀薄状态下作用甚至可以忽略，不受环境影响，其能级宽度和辐射线宽很小，跃迁谱线很窄。研究它们首先需要一个能囚禁它们并使之冷却到近乎静止的系统，这就是原子阱和离子阱。冷原子物理除了需要制备冷原子或带电粒子的技术外，主要是研究冷原子或带电粒子的特有性质以及它们的应用。如激光减速和聚集原子，激光阱和磁光阱囚禁原子，玻色子在极低温度下的玻色-爱因斯坦凝聚。将这些凝聚体输出阱外可以形成一个相干的原子束，即所谓“原子激光”；超冷原子和离子在频标中的应用促进频率准确度的进一步提高。

原子分子测控就是按人的愿望测量和操控一个个原子分子，包括两方面：原子分子工程和单原子分子测控。原子分子工程涉及许多个粒子的系综，已得到广泛应用。如用光学、电子或扫描探针显微镜观测材料和生物细胞的原子和分子结构，由各种元素合成新的化合物分子、生成各种新材料。单原子分子测控则是对单个原子分子进行测量和操控，要解决四方面课题：在确定的空间和时间内实现对单个原子、分子或微小粒子的俘获和成像；识别这是何种原子或分子及其量子态；操控它们，包括提取、移动或转动，以及多个粒子及相互作用的控制；最后组合或分解它们以形成新的分子或器件。因此，如果能实现单原子测控，就可以用一个个原子或不同材料的微小粒子来构造新的分子或功能器件，或反过来把材料上一个个原子分子取下来，把大分子分解或修饰为较小的原子分子。但要完全实现这些操作还有很长的路要走。20世纪80年代以来，许多新技术和手段的出现和发展，使人们向这个梦想前进了很多。如用一束强聚焦的激光形成的光镊囚禁单个细胞分子；用反向激光干涉或载流线圈阵列形成的驻波场建立一维、二维和三维光晶格，如果将原子装入其中，通过调节激光场操控，使每个格点中只含有一个原子，就形成一维、二维和三维的单原子阵列，即原子光晶格。用上述三维激光驻波场和磁场形成的一个中心的激光阱和磁光阱来囚禁单个原子分子，还可以操控原子处于势阱的基态或激发态。

经典存储信息的基本单元（比特或位）通常用二进制0或1表示，某时刻只能是0或1中的一个。量子信息学是量子力学与信息科学结合的产物，于20世纪末兴起。一个量子位可以处在两个逻辑态|0〉和|1〉的任意组合叠加态|ψ〉上，是二维希尔伯特空间中的任意单位矢量，即：

系数有归一关系：

物理上一个量子比特用一个具有双态|0〉和|1〉的微观粒子来表征，如有水平和垂直两种偏振态的光子，1/2自旋的电子，二能级的原子或离子，磁场中能分裂为二能级的角动量为1/2的离子、原子或原子核；也可以用有二能级的量子点、超导约瑟夫森结、金刚石的氮-空穴色心和晶体的自旋量子态、半导体硅基等固体材料作量子比特。由于量子态是概率幅，系统一般处于两个态的相干叠加态上，在特定情况下才处于|0〉或|1〉态。

量子信息的基本单元和处理过程（包括传输、存取和变换等）必须遵从量子力学原理，使量子力学的许多基本特性（如叠加性、相干性、纠缠性、测量塌缩性、不可克隆性等）在信息处理过程中发挥出重要和独特的作用，使量子信息系统的信息功能突破现有经典信息系统的极限，并给出许多新奇的结果。如由于叠加性，和也是信息，上述一个量子位原则上包含无限多的信息量。而且一个量子位可以同时存储|0〉和|1〉，位量子存储器则可以同时存储个数据，而位经典存储器一次只能存储个数据中的任一个，因此量子存储器具有巨大的存储数据的能力。此外，运算是对存储数据进行操作（变换），量子计算机能够在一次操作中对所存储的这个量子位进行并行的运算，而经典计算机要完成相同的计算需要重复次相同的操作或使用个并行工作的处理器。由此可见，两者具有本质的区别。随增加量子计算机的优势更加明显。

对有相同双态、|0〉和|1〉的两粒子a和b纠缠态的测量，当对一个粒子测量时会发生关联塌缩。如对处于纠缠态的a粒子测量，若a粒子塌缩到|0〉态，则b粒子一定塌缩到|1〉态；反之，若a粒子塌缩到|1〉态，b粒子一定塌缩到|0〉态，两种取向是随机的，概率各为1/2。这种纠缠塌缩是与测量同时进行的，具有非局域、超空间特性，不管纠缠态的两粒子在空间相距多远，对一个粒子的测量必然影响另一个粒子，从而可以获得它们的状态信息。在经过测量塌缩后，纠缠态系统不再具有纠缠性，各子系统变成确定状态。因此对一个未知量子态进行精确复制的物理过程是不可能实现的，即量子信息在信道中传输，不可能被第三方复制窃取而不发生改变，由此就能够被察觉，保证了量子通信的绝对安全。

量子信息学主要包括量子计算和量子通信，此外还有用于揭示复杂系统中的物理学、化学和生命科学规律的量子模拟，以及在精密测量、计量和深度学习中的应用。它们需要量子信息网络，包括对量子信息单元和纠缠态的制备、传送、存储、纠缠纯化、操控和读出。这些内容的研究是很困难的，特别是实验研究，但各方面研究已取得很大进展。