La structure hyperfine d’un niveau d’énergie dans un atome consiste en une séparation de ce niveau en états d’énergie très proches. Il s’observe essentiellement par une raie spectrale dans le domaine radio ou micro-onde, comme la raie à 21 centimètres de l’hydrogène atomique.
La structure hyperfine s’explique en physique quantique comme une interaction entre deux dipôles magnétiques :
S’y ajoutent des corrections prenant en compte le moment quadripolaire du noyau atomique.