Нейтро́нная спектроскопи́я, раздел нейтронной физики, в котором изучаются энергетическая зависимость эффективных сечений взаимодействия нейтронов с атомными ядрами и свойства образующихся при этом возбуждённых состояний ядер. Начало нейтронной спектроскопии было положено Б. Брокхаузом с сотрудниками, которые создали первый кристаллический трёхосный нейтронный спектрометр и с его помощью исследовали неупругое рассеяние нейтронов (1955).

Отсутствие у нейтрона электрического заряда (препятствующего сближению заряженных частиц с ядром) делает его уникальным инструментом для изучения ядерного взаимодействия. Сблизиться с ядром могут нейтроны любой энергии, результат взаимодействия зависит от энергии нейтрона и свойств ядра. При взаимодействии медленных нейтронов с веществом наблюдается упругое рассеяние нейтронов, а также некоторые экзотермические ядерные реакции. К последним относится радиационный захват нейтронов, сопровождающийся испусканием гамма-квантов (эта реакция наблюдается для всех ядер, кроме $^4\text{He}$). На некоторых лёгких ядрах с большей вероятностью идут реакции с вылетом заряженных частиц, например реакции $\text{3He+n→3H+p}$; $\text{6Li+n→3H+} \alpha$; $^{10}\text{B+n→7Li+} \alpha$, широко применяемые для регистрации нейтронов. Захват нейтронов отдельными изотопами урана и трансурановых элементов ($^{233}\text{U}$, $^{235}\text{U}$, $^{239}\text{Pu}$ и др.) вызывает деление ядра на два (реже три) осколка.

БРЭ. Т. 22.БРЭ. Т. 22.Характерной чертой взаимодействия нейтронов с ядрами является наличие резонансов в энергетической зависимости эффективных сечений реакций (рис. 1). При захвате нейтрона с энергией $ℰ$ ядром с массовым числом $A$ образуется ядро с массовым числом $A+1$ в возбуждённом состоянии с энергией возбуждения, равной энергии связи нейтрона в ядре плюс величина $ℰ_0A/(A+1)$, где $ℰ_0$ – кинетическая энергия нейтрона, при которой сечение реакции максимально. Энергетическая зависимость сечения $σ_с$ реакции образования составного ядра в окрестности резонанса описывается формулой Брейта – Вигнера: $\displaystyle\sigma_\text c= \piƛ^2 \frac{\Gamma_n\Gamma}{(ℰ-ℰ_0)^2+\frac{\Gamma^2}{4}},$ где $ƛ= λ/2π,\; λ$ – длина волны нейтрона, $Γ$ – полная ширина резонанса, характеризующая его энергетическую форму, $Γ_n$ – нейтронная ширина резонанса (доля от $Γ$, определяющая вероятность захвата нейтронов).

Для измерений эффективных сечений реакций применяют нейтронные спектрометры различных типов. Наибольшее распространение получили т. н. нейтронные спектрометры по времени пролёта (рис. 2). В таких спектрометрах импульсный нейтронный источник генерирует короткие (длительностью $τ$) импульсы (вспышки) со сплошным энергетическим спектром. Нейтроны, прошедшие через мишень, регистрируются нейтронным детектором, а специальный электронный временной анализатор фиксирует интервал времени между вспышкой и моментом регистрации нейтрона детектором. Разрешающая способность спектрометра характеризуется отношением $τ/L$, где $L$ – расстояние от источника до детектора. В лучших современных нейтронных спектрометрах в качестве нейтронных источников применяют электронные или протонные ускорители с длительностью вспышки 1–100 нc и интегральным выходом до 10¹⁵ нейтронов в секунду. Полное эффективное сечение $\sigma_t$ реакции определяют, регистрируя показания детектора при положении мишени в пучке $(N)$ и вне пучка $(N_0)$, с использованием соотношения: $N/N_0=\text{exp}(–nσ_t)$, где $n$ – толщина мишени, выраженная в количестве ядер на 1 см².

Рис. 2. Принципиальная схема нейтронного спектрометра по времени пролёта. БРЭ. Т. 22.Рис. 2. Принципиальная схема нейтронного спектрометра по времени пролёта. БРЭ. Т. 22.Существенно расширяет информацию о свойствах ядер измерение парциальных сечений реакций, т. е. вероятности различных реакций, идущих по тому или иному каналу ($γ$-распад, деление атомного ядра и т. д.). Для этого используют соответствующие детекторы, которые располагают рядом с изучаемой мишенью. Обработка экспериментальных данных позволяет получить все основные характеристики возбуждённых уровней составного ядра: энергию, полные и нейтронные ширины резонансов, спины, чётность. Для большинства стабильных ядер эти характеристики (по крайней мере $ℰ_0$ и $\Gamma_n$) измерены для десятков, а иногда и сотен энергетических уровней. Обширная информация, полученная методом нейтронной спектроскопии, позволяет найти распределение нейтронных ширин резонансов и интервалов между резонансами. Измерены магнитные моменты ряда ядерных уровней, обнаружены аномально большие эффекты нарушения пространственной чётности при взаимодействии поляризованных нейтронов с ядрами.

Информация о свойствах атомных ядер, полученная методами нейтронной спектроскопии, играет существенную роль не только в науке, но и в современной промышленности (в первую очередь в атомной энергетике). Реакторы атомных электростанций, силовых установок ледоколов и атомных подводных лодок невозможно разрабатывать, не имея данных нейтронной спектроскопии, причём требования к объёму и точности этих данных постоянно повышаются.