Нейтро́нная о́птика, раздел нейтронной физики, в котором изучаются волновые свойства нейтрона и явления, возникающие при взаимодействии нейтронных пучков с веществом и полями. К этим явлениям относятся, в частности, преломление и отражение нейтронных пучков на границе раздела двух сред, дифракция и интерференция нейтронных волн.

Нейтронная оптика возникла вскоре после открытия нейтрона (1932). В 1936 г. американские физики Д. Митчелл и П. Пауэрс уверенно наблюдали дифракцию нейтронов на монокристалле. Значительный вклад в развитие нейтронной оптики был сделан Э. Ферми и его школой. В частности, именно Ферми впервые ввёл понятие показателя преломления ${n}$ для описания взаимодействия нейтронов с конденсированными средами.

Нейтрон может проявлять себя как частица с энергией ${ℰ}$, скоростью ${v}$ и импульсом ${p}$ или как волна с длиной, определяемой формулой де Бройля: ${λ=2πℏ/p}$ (см. Волны де Бройля), где ${ℏ}$ – постоянная Планка. Волновые свойства отчётливо проявляются у нейтронов низких энергий (медленных нейтронов), длина волны которых порядка или больше межатомных расстояний в веществе (около $10^{–10} \,м$). Бóльшая часть явлений нейтронной оптики имеет аналогию с оптическими явлениями. Электромагнитные волны описываются уравнениями Максвелла, а нейтронная волна (нейтронная волновая функция) подчиняется уравнению Шрёдингера. Рассеяние нейтронов обусловлено главным образом сильным взаимодействием нейтронов с атомными ядрами, рассеяние световых волн – электромагнитным взаимодействием фотонов с электронными оболочками атомов. В обоих случаях падающая на вещество волна порождает вторичные волны, когерентное сложение которых определяет преломлённые и отражённые волны. Длина волны ${λ_1}$ в среде отличается от длины волны $\lambda$ в вакууме, а отношение ${λ/λ_1=n}$ называют показателем преломления. Неупругое рассеяние нейтронов можно сопоставить с комбинационным рассеянием света. Поляризационные явления в нейтронной оптике существенно отличаются от оптических, т. к. связаны с наличием у нейтрона спина (см. Поляризованные нейтроны).

Поскольку нейтрон, в отличие от фотона, обладает массой покоя, из соотношения де Бройля следует, что при попадании нейтрона в среду меняется не только длина волны, но также скорость нейтрона и его кинетическая энергия. Изменение последней равно потенциалу взаимодействия нейтрона с веществом: ${U=(2πℏ^2/m)Nb}$. Тогда ${n^2= 1-U/ℰ = 1-v^2_0/v^2}$, где ${v_0=2ℏ\sqrt{\pi Nb}/m}$, ${b}$ – когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами среды, ${N}$ – число ядер в единице объёма среды, ${m}$ – масса нейтрона. Величину ${v_0}$ называют граничной скоростью вещества. Для большинства веществ ${b>0}$, а ${v_0}$ порядка нескольких метров в секунду. Следовательно, при попадании в среду нейтрон совершает работу ${(U>0)}$.

Нейтроны со скоростью ${v< v_0}$ и энергией ${ℰ< U}$ (ультрахолодные нейтроны) не могут преодолеть силы отталкивания среды и полностью отражаются от её поверхности (т. е. коэффициент отражения равен $1$). Полное внутреннее отражение возможно также для холодных и тепловых нейтронов в том случае, когда нормальная к отражающей поверхности компонента скорости нейтрона ${v_z⩽v_0}$, а угол скольжения меньше критического угла. В действительности коэффициент отражения нейтронов всегда несколько меньше единицы, т. к. ядра не только рассеивают нейтроны, но и поглощают их. Существуют и другие процессы, ведущие к ослаблению нейтронной волны; роль этих процессов учитывают введением комплексной длины рассеяния (комплексными величинами оказываются также ${U}$ и ${n^2}$).

Наличие у нейтрона магнитного момента приводит к его взаимодействию с магнитным полем и магнитными моментами атомов, что порождает т. н. магнитное рассеяние нейтронов, не имеющее аналога в оптике. Влияние постоянного магнитного поля учитывается в выражении для показателя преломления следующим образом: ${n^2= 1-v^2_0 /v^2± 2μB/mv^2}$, где $\mu$ – магнитный момент нейтрона, ${B}$ – магнитная индукция, знаки «${±}$» относятся к двум возможным ориентациям магнитного момента нейтрона относительно вектора ${\boldsymbol B}$. Такая двузначность показателя преломления используется в устройствах, предназначенных для получения пучков поляризованных нейтронов и определения степени их поляризации.

Способность нейтронов отражаться от зеркал используют для транспортировки нейтронов от источников к экспериментальным установкам с помощью нейтроноводов. Помимо зеркал полного отражения широкое распространение имеют т. н. суперзеркала (многослойные, в том числе поляризующие), отражающие нейтроны при углах скольжения, значительно превосходящих критические. Дифракция нейтронов применяется в нейтронографии для исследования субмикроскопических свойств вещества. Принципы нейтронной оптики реализуются в ряде физических устройств: в поляризаторах и анализаторах нейтронов, монохроматорах, преломляющих призмах, устройствах, позволяющих фокусировать нейтронные пучки (в том числе в магнитных линзах). Измерение коэффициента отражения нейтронов от плоских образцов при ${v_z>v_0}$ лежит в основе метода нейтронной рефлектометрии, применяемого для исследования подповерхностной структуры вещества. Особенности пространственно-временнóй эволюции спина нейтрона и спиновой прецессии положены в основу метода нейтронного спинового эха, широко применяемого в современной нейтронографии. Примером квантового нейтронно-оптического устройства является нейтронный интерферометр (см. Нейтронная интерферометрия). Методами нейтронной оптики исследуют также некоторые нестационарные квантовые явления, для описания которых необходимо использовать временнóе уравнение Шрёдингера.