原子物理学研究原子的性质、内部结构、内部受激状态，以及原子和电磁场、电磁波的相互作用以及原子之间的相互作用。原子是一个很古老的概念。古代就有人认为：宇宙间万物都是由原子组成的，原子是不可分割的、永恒不变的物质最终单元。

1897年汤姆逊发现了电子，使人们认识到原子是具有内部结构的粒子。于是，经典物理学的局限性进一步的暴露出来了。为此，德国科学家普朗克提出了同经典物理学相矛盾的假设：光是由一粒一粒光子组成的。这一假设导出的结论和黑体辐射及光电效应的实验结果符合。于是，19世纪初被否定了的光的微粒说又以新的形式出现了。

1911年，卢瑟福用粒子散射实验发现原子的绝大部分质量，以及内部的正电荷集中在原子中心一个很小的区域内，这个区域的半径只有原子半径的万分之一左右，因此称为原子核。这才使人们对原子的内部结构得到了一个定性的、符合实际的概念。在某些方面，原子类似一个极小的太阳系，只是太阳和行星之间的作用力是万有引力，而原子核和电子间的作用力是电磁力。

原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、狄里克莱等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的主要区别是：物理量所能取的数值是不连续的；它们所反映的规律不是确定性的规律，而是统计规律。

应用量子力学和量子电动力学研究原子结构、原子光谱、原子发射、吸收、散射光的过程，以及电子、光子和电磁场的相互作用和相互转化过程非常成功，理论结果同最精密的实验结果相符合。

微观客体的一个基本性质是波粒二象性。粒子和波是人在宏观世界的实践中形成的概念，它们各自描述了迥然不同的客体。但从宏观世界实践中形成的概念未必恰巧适合于描述微观世界的现象。

现在看来，需要粒子和波动两种概念互相补充，才能全面地反映微观客体在各种不同的条件下所表现的性质。这一基本特点的另一种表现方式是海森伯的测不准原理：不可能同时测准一个粒子的位置和动量，位置测得愈准，动量必然测得愈不准；动量测的愈准，位置必然测得愈不准。