Нейтро́нная фи́зика — раздел физики элементарных частиц, занимающийся исследованием нейтронов, их свойств и структуры (времени жизни, магнитного момента и др.), методов получения, а также возможностями использования в прикладных и научно-исследовательских целях.
Отсутствие у нейтрона электрического заряда приводит к тому, что они в основном взаимодействуют непосредственно с атомными ядрами, либо вызывая ядерные реакции, либо рассеиваясь на ядрах. Характеристика и интенсивность нейтронно-ядерного взаимодействия (нейтронные сечения) существенно зависят от энергии нейтронов. В нейтронной физике главным образом используются нейтроны с энергиями от 107 до 10−7 эВ (длины волн де Бройля от 10−12 до 10−5 см). Соответственно этому диапазону энергий и длин волн исследуются объекты с размерами от 10−12 см и характерными энергиями возбуждения 106 — 107 эВ (атомного ядра) до видимых в оптический микроскоп объектов размерами 10−4 см (например, макромолекулы биополимеров).
Нейтронное излучение условно разделяют на энергетические диапазоны, отличающиеся методами получения и регистрации нейтронов, а также направлениями их использования:
Нейтроны с кинетической энергией E > 100 кэВ названы быстрыми. Они способны испытывать на ядрах неупругое рассеяние и вызывать эндотермические ядерные реакции, например (n, α), (n, 2n), (n, pn). Сечения этих реакций сравнительно плавно зависят от E (выше характерного для них энергетического порога), и их исследование позволяет изучать механизм распределения энергии возбуждения между нуклонами, составляющими ядро.
Нейтроны с энергией E < 100 кэВ часто называется медленными, они в свою очередь делятся на резонансные и промежуточные. Медленные нейтроны в основном упруго рассеиваются на ядрах или вызывают экзотермические ядерные реакции, в первую очередь радиационный захват (n, γ), реакции типа (n, p), (n, α) и деление ядер. Реакции 3He(n, p)3H; 10B(n, α)7Li используются для регистрации нейтронов; вторая из них — также для защиты от нейтронного излучения.
Название «резонансные нейтроны» обусловлено наличием резонансных максимумов (нейтронных резонансов) в энергетической зависимости эффективного сечения σ(E) взаимодействия нейтронов с веществом. Исследования с резонансными нейтронами дают возможность изучать спектр возбуждения ядер. В области энергии промежуточных нейтронов резонансная структура нейтронов сечения сглаживается из-за перекрытия соседних резонансов. Сечение любой ядерной реакции, вызываемое достаточно медленными нейтронами, обратно пропорционально их скорости. Это соотношение называется «законом 1/v». Отклонение от этого закона наблюдается, когда E становится сравнимой с энергией первого резонансного уровня.