原子是化学变化中的最小微粒，是人类最经典的、使用最为广泛的基本假设。原子的假设，可用来精确的解释物理学中力学、热力学、光学、量子力学、统计力学等等几乎物理方方面面的问题，以及同为自然科学的生物学（用物理学家的眼光看，一切生物过程都是原子的运动）、化学（化学可以使用量子力学等解释）等等，在未来，或许会延伸到各个学科。原子的假设建立时是基于人类直观的感觉-物质的粒子性。但在物质波动性上也可以神奇地找到它的影子。也许就是因为原子的假设，使物理学有现在这样辉煌的成果。
原子可看作地球一样大的体育馆里的一颗乒乓球（原子半径的数量级在10-10），研究原子的方法也好比在这个体育馆里放置1023以上的乒乓球，并且让这些球不停地跳动起来。原子是构成自然界各种元素的基本单位，由原子核和核外轨道电子（又称束缚电子或绕行电子）组成。原子的体积很小，直径只有10-8cm，原子的质量也很小，如氢原子的质量为1.67356×10-24g，而核质量占原子质量的99%以上。原子的中心为原子核，它的直径比原子的直径小很多。
原子结构
众所周知，电子是带负电的，显然，原子中应该存在带正电的物质，汤姆孙提出了一种“葡萄干布丁模型”，他假设原子的正电荷均匀分布在整个原子球体内，而电子是镶嵌在其中的，为了能够解释元素周期表，他进一步假定电子分布在一些同心圆上，每个环上存在有限个电子。这一模型不久就被他的学生卢瑟福推翻了。在当时，X射线与放射性刚发现不久，是当时研究的热点。卢瑟福在X射线与放射性方面做出过许多突出贡献，尤其是他发现了放射性射线的三种成分：射线，β射线，γ射线，而且证明了射线就是氦离子。
卢瑟福利用镭放射出的高能粒子作炮弹轰击各种原子，通过测量出射的粒子的角分布来研究粒子与物质的相互作用。1909年，他的学生盖革和马斯顿等在实验中发现有约八千分之一的粒子被反射回来。这一实验直接否定了汤姆孙的葡萄干模型，通过严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的有核模型。他认为原子几乎所有的质量和全部电荷都集中在一个非常小的体积内，称作原子核，电子在核外绕核运动。为了证明这一理论，他们又经过了无数的反复实验，最后以严格的、确凿的实验结果证实了散射理论与有核模型。
放射性
一些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到，只能用专门的仪器才能探测到的射线。物质的这种性质叫放射性。具有放射性的物质叫放射性物质。在大剂量的照射下，放射性对人体和动物存在着某种损害作用。如在400rad的照射下，受照射的人有5%死亡；若照射650rad，则人100%死亡。照射剂量在150rad以下，死亡率为零，但并非无损害作用，住往需经20年以后，一些症状才会表现出来。放射性也能损伤遗传物质，主要在于引起基因突变和染色体畸变，使一代甚至几代受害。最先研究放射性物质的居里夫人就是因为受到放射性物质的损害晚年患上了多种疾病而导致死亡的，二战期间美国在日本的广岛和长崎投下两枚原子弹，原子弹爆炸放出的射线使此两地幸存的居民患上多种疾病。
核物理学
核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律；射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。核物理研究之所以受到人们的重视得到社会的大力支持，是和它具有广泛而重要的应用价值密切相关的。目前，几乎没有一个核物理实验室不在从事核技术的应用研究。有些设备甚至主要从事核技术应用工作。核技术应用主要为核能源的开发服务，如提供更精确的核数据和探索更有效地利用核能的途径等；另外，同位素的应用是核技术应用最广泛的领域。
同位素示踪已应用于各个科学技术领域；同位素药剂应用于某些疾病的诊断或治疗；同位素仪表在各工业部门用作生产自动线监测或质量控制装置。
核能
核能是20世纪人类的一项伟大发现，并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日，着名科学家费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆，标志着人类从此进入了核能时代。在这以前人类利用的能源，只涉及到物理变化和化学变化，当核能进入人们的生产和生活后，一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生。核能分为核裂变能和核聚变能两种。核裂变能是通过一些重原子核发生“链式裂变反应”释放出的能量，核聚变能是由两个轻原子核结合在一起释放出的能量。迄今达到工业应用规模的核能只有核裂变能。核聚变又叫“热核反应”。
氢的同位素氘（H，重氢）是主要的核聚变材料。氘以重水的形式存在于海水中。氘的含量占氢的0.015％。1升海水中的氘通过核聚变释放出的能量相当于300升汽油燃烧释放出的能量。全世界海水中所含的氘通过核聚变释放的聚变能，可供人类在很高的消费水平下使用50亿年。2002年12月2日，我国新一代受控核聚变研究装置--核工业西南物理研究院的中国环流器二号A装置建成并举行开机仪式，为我国进一步参与核聚变研究的国际合作创造了条件。
粒子物理学
粒子物理学是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支，又称高能物理学。两千多年来人们关于物质是由原子构成的思想，由哲学的推理，变成了科学的现实，而且在这个阶段终了时，形成了现代的基本粒子的思想。目前，粒子物理已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器的建造，无疑将为粒子物理实验研究提供更有力的手段，有利于产生更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类，它们的性质，以及它们的可能的内部结构。另外从发展趋势来看，粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用，这个方面的研究也将会是一个十分活跃的领域。很重要的是，物理学是一门以实验为基础的科学，粒子物理学也不例外。因此，新的粒子加速原理和新的探测手段的出观，将是意义深远的。
量子论
量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、
化学元素的性质、光的吸收与辐射等。1928年狄拉克将相对论运用于量子力学，又经海森伯、泡利等人的发展，形成了量子电动力学，量子电动力学研究的是电磁场与带电粒子的相互作用。1947年，实验发现了兰姆移位。1948～1949年，里查德·费因曼、施温格和朝永振一郎用重正化概念发展了量子电动力学，从而获得1965年诺贝尔物理学奖。
化学键
化学键是指相邻的两个或多个原子（或离子）之间的强烈的相互作用。例如，2个氢原子和1个氧原子通过化学键结合成水分子。化学键有3种极限类型，即离子键、共价键和金属键。离子键是由异性电荷产生的吸引作用，例如氯和钠以离子键结合成NaCl分子，共价键是两个或几个原子通过共有电子产生的吸引作用，典型的共价键是两个原子借吸引一对成键电子而形成的。例如，两个氢核同时吸引一对电子，形成稳定的氢分子。金属键则是使金属原子结合在一起的相互作用，可以看成是高度离域的共价键，定位于两个原子之间的化学键称为定域键。由多个原子共有电子形成的多中心键称为离域键。除此以外，还有过渡类型的化学键：键电子偏向一方的共价键称为极性键，由一方提供成键电子的化学键称为配位键。极性键的两端极限是离子键和非极性键，离域键的两端极限是定域键和金属键。
晶体
晶体有三个特征：(1)晶体有一定的几何外形；(2)晶体有固定的熔点；(3)晶体有各向异性的特点。固态物质有晶体与非晶态物质(无定形固体)之分，而无定形固体不具有上述特点。
组成晶体的结构粒子(分子、原子、离子)在空间有规则地排列在一定的点上，这些点群有一定的几何形状，叫做晶格。排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点。金刚石、石墨、食盐的晶体模型，实际上是它们的晶格模型。
晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。
非晶体
非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、松香、石蜡等。它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。它没有固定的熔点所以有人把非晶体叫做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。
非晶态固体包括非晶态电介质、非晶态半导体、非晶态金属。它们有特殊的物理、化学性质。例如金属玻璃（非晶态金属）比一般（晶态）金属的强度高、弹性好、硬度和韧性高、抗腐蚀性好、导磁性强、电阻率高等。这使非晶态固体有多方面的应用。它是一个正在发展中的新的研究领域，近年来得到迅速的发展。