Сверхто́нкая структу́ра — расщепление спектральных линий вследствие взаимодействия электронной оболочки атомов со спином ядра, а также вследствие существования различных изотопов элементов, отличающихся массой и магнитным моментом ядра.
Исследование сверхтонкой структуры спектральных линий можно использовать для определения спина ядра, например, для одного стабильного изотопа натрия он равен 3/2 (в единицах постоянной Планка).
Сверхтонкая структура энергетических уровней атома цезия используется в современном определении единицы времени — секунды.
Первые исследования сверхтонкой структуры проводились ещё в XIX веке: В 1891 году Майкельсон наблюдал её с помощью своего интерферометра. В 1897 году её описывали Фабри и Перо[1], а позже — Люммер и Герке[2]. Оказалось, что каждая спектральная линия на самом деле состоит из многих (до 10 и более) близко расположенных компонент.
Параллельно с этим, в 1910 году были открыты изотопы радиоактивных элементов, а в 1912 году — и стабильных элементов. В 1918 году Аронберг смог экспериментально обнаружить изотопический сдвиг, сравнивая излучения двух образцов свинца[3].
В 1924 году Паули предположил, что расщепление спектральных линий связано с взаимодействием магнитных моментов атомного ядра и орбитальных электронов[1].