Atom fizikasi XIX va XX asr chegaralarida gazlarning optik spektrlarini tekshirish, elektron va radiaktivlikning kashf etilishi asosida vujudga keladi, o’z rivojining birinchi bosqichi (XX asrning birinchi choragi) da atom fizikasi asosan atom tuzilishini aniqlash va uning xossalarini o’rganish bilan shug’ullanadi. E.Rezerfordning a-zarralarining yupqa metall folgada sochilishiga oid tajribalari (1908—1911) atom planetar modelining yaratilishiga olib keladi; N.Bor (1913) va A. Zommerfeld (1915) atomning birinchi miqdoriy nazariyasini ishlab chiqdilar (Atom) Elektron va atomlarning xossalarini keyingi tekshirishlar 20-yillar o’rtalarida kvant mexanika-mikrodunyo qonunlarini tavsiflovchi va mikrozarralar ishtiroki etadigan hodisalarni miqdoriy jihatdan tekshirishga imkon beruvchi fizik nazariyaning yaratilishi bilan tugadi (Kvant mexanika)
Kvant mexanika atom fizikasining nazariy asosi hisoblanadi. Ayni vaqtda atom fizikasi kvant mexanika uchun o’ziga xos «sinov poligoni» vazifasini bajaradi. Kvant mexanikaning ko’pincha bizning kundalik tajribamizga to’g’ri kelmaydigan tasavvurlari va xulosalari atom fizikasida eksperimental tekshirishdan o’tadi. Frank-Gersning(1913) va Shtern-Gerlaxning (1922) mashhur tajribalari bunga yaqqol misol bo’lishi mumkin; quyida ular haqida mufassal to’xtalamiz.
XX asr boshiga kelib atomlarning optik spektrlari bo’yicha boy material to’planadi. Har bir ximiyaviy elementga o’zining chiziqli spektri mos kelib, u spektral chiziqlarning qonuniy, tartibli joylashishi bilan harakatlanishi aniqlangan edi. Kvant mexanika spektrda kuzatilayotgan qonunlarni mazkur atomning energetik sathlari sistemasi bilan bog’laydi. 1913 yilda nemis fiziklari J.Frank va G. Gers atomning ichki energiyasi kvantlanishini va shuning uchun faqat diskret, ya’ni ma’lum portsiyalar bilan o’zgarishi mumkinligini bevosita eksperimental isbot qiluvchi tajriba o’tkazishdi. Ular erkin elektronlarning simob atomlarini uyg’otish uchun sarflaydigan energiyasini o’lchadilar.
Qurilmaning asosiy elementi-havosi so’rib olingan va uchta kvasharlangan elektrodli: katod, anod, turli shisha ballon-zamonaviy vakuum triodidan iborat. Ballonda 1 mm sim. ust. bosim ostida simob bug’lari bo’lgan. Katoddan chiqqan elektronlar katod bilan to’r orasidagi maydonda tezlashgan (tezlatuvchi kuchlanish U) va to’r bilan anod orasidagi maydonda tormozlangan (tormozlovchi kuchlanish U1) Katoddan anodga tomon yo’lda elektronlar simob atomlari bilan to’qnashgan. U1 kuchlanish U dan ancha kichik qilib tanlangan edi; shuning uchun anoddan yetarlicha sekin elektronlar, ya’ni simob atomlari bilan noelastik to’qnashishi natijasida energiyasini yo’qotgan elektronlar itarilgan. Tajribada anod toki kuchi tezlatuvchi U kuchlanish bilan bog’liq holda o’lchangan. Eksperimental egri chiziq bir-biridan 4,9 V narida turuvchi qator aniq maksimumlarga ega. Bu egri chiziqning ko’rinishi shunday tushuntiriladi. U < 4,9 V bo’lganda elektronlarning simob atomlari bilan to’qnashishlari elastik bo’ladi (atomlarning uyg’onishi sodir bo’lmaydi), shuning uchun tok kuchi U ning ortishi bilan tekis oshib boradi. U=4,9 qiymatga yetganda simob atomlarining uyg’onishi bilan bog’liq bo’lgan noelastik urilishlar boshlanadi: natijada tok kuchi keskin kamayadi. U ning keyingi ortishda tok, kuchlanish 9,8 V bo’lguncha, elektron ikkita atomni uyg’otishga qadar bo’lguncha, yana oshib boradi. Kuchlanish 14,7 V ga yetganda elektronlar simob atomlari bilan uchta noelastik to’qnashishga qodir bo’ladi va hokazo. 4,9 V kuchlanishda elektron 4,9 eV energiyaga ega bo’ladi. Shunday qilib, I(U) egri chiziqning ko’rinishi shuni ko’rsatadiki, simob atomini uyg’otish uchun 4,9 eV ga teng energiya kerak ekan. Bu simob atom elektron bilan almashinadigan energiya proportsiyasi ekanligi ravshandir.
Bu tipdagi tajribalar yanada sinchiklab o’tkazilganda atomlarning quyidagi energetik sathlarining uyg’onganligini sezish mumkin bo’ldi: simob uchun bu 6,7; 8,3 eV va hokazo (10,4 eV-ionlashish potentsiali). Gazning yorug’lanishini kuzatish bunda simob atomlari uchun to’liq spektrning paydo bo’lishini ko’rsatadi.
Atom yadrosi atrofida harakatlanuvchi elektronni elementar elektr tokiga o’xshatish mumkin; u magnit maydonni vujudga keltiradi. Turli elektronlarning magnit maydoni qo’shilib, atom magnit maydonini hosil qiladi. Uning xarakteristikasi uchun magnit momenti deb ataluvchi vektor kattalik kiritiladi. Agar elektronlar u yoki bu qobiqni to’liq to’ldirgan bo’lsa (1s, 2s, 2p va hokazo), ularning magnit maydonlari o’zaro kompensatsiyalanadi; mos atomlarning magnit momentlari nolga teng bo’ladi.
1922 yilda germaniyada O. Shtern va V. Gerlix atom magnit momentining fazoviy kvantlanishini ko’rsatuvchi tajriba o’tkazdilar. Ular magnit momentiga ega bo’lgan atomlar dastasini bir jinsli bo’lmagan magnit maydon orqali yubordilar va atomlarning shu maydon ta’sirida og’ishini tekshirdilar. Og’ish darajasi va xarakteri atom magnit momentining maydon yo’nalishiga nisbatan oriyentatsiyasiga bog’liq . Agar dastada barcha oriyentatsiyadagi magnit momentli atomlar bo’lganda edi, dastlabki dastaning uzluksiz burchakli «yoyilishi» kuzatilar edi. Tajribada esa atomlar dastasining bir necha dastaga ajratilishi kuzatiladi; bu hol atom magnit momentining fazoviy kvantlanishini bildiradi-uning magnit maydon yo’nalishiga proyektsiyasi faqat ba’zi bir ma’lum (daskret) qiymatlarga ega bo’lishi mumkin.
Bir jinsli bo’lmagan magnit maydonida natriy atomlari og’ishlari taqsimotiga murojaat qilaylik (u 1930 yilda olingan). Bu taqsimot ikkita aniq maksimumga ega. Natriy atomida uchta to’liq qobiq (1s, 2s, 2p) va bitta 3s-elektron bor. S-elektronlarning elektron bulut sferik simmetrik (Atom), shuning uchun ularning yadro maydonidagi harakati magnit momentining paydo bo’lishiga olib kelmaydi. Natriy atomlari dastasining kuzatilayotgan ikki tashkil etuvchi ajralishini izohlash uchun elektronning uning yadro atrofidagi harakati bilan bog’liq bo’lmagan xususiy magnit momenti bor, deb qabul qilish zarur. Bu magnit momentini shartli ravishda elektronning xususiy o’qi atrofida aylanishi bilan bog’laydilar va bu spin momenti deyiladi (Spin) Elektronning yadro atrofidagi harakati bilan bog’liq bo’lgan magnit momenti esa orbital moment deyiladi. Shunday qilib, natriy atomi misolida to’liq qobiliyatlardagi elektronlarning orbital momentlari ham, spin momentlari ham o’zaro kompensatsiyalangan bo’ladi: 3s-elektronning orbital momenti nolga teng, bu elektronning spin momenti esa natriy atomlari dastasining bir jinsi bo’lmagan magnit maydonida ajralishiga sabab bo’ladi. Ikki dastaga ajralishning kuzatilishi, elektroning spin momenti magnit maydon yo’nalishida ikki proyektsiyaga ega ekanligini anglatadi.
Asrimizning 30-yillarida atom fizikasining rivojlanishida yangi davr boshlandi. Bu yillarda atom yadrosi ichida sodir bo’ladigan jarayonlarga sababchi va yadrolarning barqarorligini yoki radioaktivligini izohlovchi o’zaro ta’sirlarning tabiati atomning elektron qobiqlarida sodir bo’ladigan jarayonlarga sabab bo’lgan o’zaro ta’sirlarga nisbatan butunlay boshqacha ekanligi aniqlanadi (Tabiat kuchlarining birligi). Shu munosabat bilan atom fizikasidan atom yadrolari fizikasi tadqiqotlari bilan bog’liq alohida ilmiy yo’nalish ajraldi; 40-yillarda bu yo’nalish mustaqil fizika fani-yadro fizikasiga aylandi. Nihoyat, 50-yillarda yadro fizikasidan elementar zarralarning sistematikasini va o’zaro o’tishlarini o’rganish bilan bog’liq yo’nalish-elementar zarralar fizikasi ajralib chiqdi.
Pirovardida zamonaviy atom fizikasining mazmunini ifodalovchi ma’lum masalar sohasi yuzaga keldi. Uni atom yadrosida sodir bo’ladigan jarayonlar ham, elementar zarralarning o’zaro o’tishlari ham qiziqtirmaydi. Atom fizikasi atom yoki ionlar qatnashgan jarayonlarni, ya’ni atom yadrolarida hech qanday o’zgarishlarga olib kelmaydigan jarayonlarni o’rganadi. Demak, gap atomlarning elektron qobiqlarigagina taalluqli jarayonlar haqida bormoqda. Bunday jarayonlarga quyidagilar kiradi: atomdagi elektronlar holatiga tashqi elektr yoki magnit maydonlarning ta’siridagi o’zgarishlar (masalan, tashqi maydonlar ta’sirida atomlar energetik sathlarining ajralishi sodir bo’ladi); atomlarning elektromagnit nurlanishlarni yutishi va chiqarishi (Spektroskopiya, Rentgen nurlari, Fotoeffekt, Lazerlar); atomlarning erkin elektronlar bilan, shuningdek boshqa atomlar, ionlar molekulalar bilan to’qnashishi (elektronlar va boshqa mikroob’ektlar bilan to’qnashish va natijasida atomlar uyg’onishi, uyg’ongan holatdan kamroq uyg’ongan holatga o’tishi, i o n l a r ga aylanishi mumkin, (Gazlarda elektr razryadi); turli atomlar elektron qobiqlarining molekula va kristallar hosil bo’lishiga olib keluvchi o’zaro ta’sirlari. Bu jarayonlarning hammasiga elektromagnit o’zaro ta’sirlar sababchidir. Aytib o’tilgan jarayonlarning ehtimolligi kvant mexanika apparatidan foydalanib hisoblanadi.
Hozirgi zamon fizikasi atomlarning maxsus tipi-mezoatomlarni ham tekshiradi. Mezoatom oddiy atomdan undagi elektronlardan birini myuon (μ-), antimezon (π-.K-) bilan, antiproton yoki manfiy zaryadlangan giperin bilan almashtirish natijasida giperon bilan almashtirish natijasida paydo bo’ladi (q. Adronlar, Leptonlar) Anomal «vodorodsimon» atomlar-pozitroniy, myuoniy ham mavjud bo’lib, ularda proton vazifasini pozitronlar yoki musbat zaryadlangan antimyuonlar (μ+) bajaradi. Bu atomlarning hammasi beqarordir; ularning yashash vaqti yuqorida aytib o’tilgan zarralarning yashash vaqti yoki e+ e- va rr-annigilyatsiya jarayonlari bilan cheklangan. Mezoatomlar zarralarning tormozlanish jarayonida-manfiy zaryadlangan zarralarning atom yadrolarining kulon maydoni tomonidan tutilishi natijasida yoki pozitronlar va antimyuonlarning atom elektronlarini tutganida vujudga keladi. Turli anomal atomlar bilan o’tkazilgan tajribalar moddaning xossalarini tadqiq qilish uchun ham, yadro va elementlar zarralarni o’rganish uchun ham katta qiziqish uyg’otadi.