Neutronaktivaatioanalyysi (NAA) on erittäin herkkä ja tarkka menetelmä materiaalinäytteessä olevien alkuaineiden määrittämiseen. Näyte kohdistetaan radioaktiivisesta lähteestä peräisin olevilla neutroneilla. Tämä saa monet läsnä olevista elementeistä lähettämään gammasäteitä tietyillä taajuuksilla, joista ne voidaan tunnistaa. Tällä tavalla voidaan havaita noin 65 eri elementtiä. Se on yksi hyödyllisimmistä tieteellisistä tekniikoista näytteiden alkuainekoostumuksen tutkimiseksi, ja sillä on monia sovelluksia analyyttisessä kemiassa, geologiassa, oikeuslääketieteessä ja muilla aloilla.
Kun neutroni osuu atomin ytimeen, se usein absorboituu muodostaen raskaamman isotoopin ja lähettäen gammasäteen. Monissa tapauksissa nämä isotoopit ovat epävakaita ja hajoavat toiseksi, kevyemmäksi isotoopiksi lyhyen viiveen jälkeen lähettäen yhden tai useamman gammasäteen tälle isotoopille ominaisilla energioilla. Esimerkiksi natriumin yleisin isotooppi – natrium-23 – voi absorboida neutronin muodostaen epästabiilin isotoopin natrium-24, joka sitten hajoaa magnesium-24:ksi ja lähettää kaksi gammasädettä tietyllä energiolla. Gammasäteiden energioita ja emittoitua määrää mittaamalla voidaan määrittää sekä läsnä olevat alkuaineet että niiden runsaus näytteessä. Alkuperäinen gammasäde, joka säteilee välittömästi neutronin absorboituessa, tunnetaan nopeana gammasäteenä, mutta yleensä mitataan viivästyneet gammasäteet.
Neutroniaktivaatioanalyysi on erittäin herkkä tekniikka. Se pystyy havaitsemaan elementtejä yhdellä miljoonasosalla tai vähemmän, ja joissakin tapauksissa jopa yhden miljoonasosan. Menetelmä on myös erittäin monipuolinen, koska sillä voidaan analysoida näytteitä kiinteissä, nestemäisissä ja kaasumuodoissa ja se pystyy käsittelemään 0.000035 unssia (0.001 grammaa) asti.
Neutronilähde tunnetaan joskus neutronihaupitsina. Kun jotkin kevyet alkuaineet altistetaan alfahiukkasille, niiden ytimet lähettävät neutroneja. Alkuaine beryllium sopii erityisen hyvin tähän tarkoitukseen. Sekoittamalla beryllium alfahiukkasten lähteeseen, kuten plutonium 239 tai radium 226, voidaan luoda vahva neutronien lähde. Tämä voidaan koteloida sopivaan säteilysuojaukseen, mutta aukolla, josta neutronit voivat tulla esiin.
Ydinreaktoreita käytetään myös neutronilähteinä. Yhdysvalloissa Oak Ridgessä Tennesseen osavaltiossa High Flux Isotope Reactor (HFIR) tarjoaa neutronien lähteen Oak Ridge National Laboratoryssa, mikä tekee siitä tärkeän keskuksen neutronien aktivaatioanalyysille. Radioaktiivisia elementtejä, jotka tuottavat neutroneja ydinfission kautta, esimerkiksi kalifornium-252, voidaan käyttää myös pienemmässä mittakaavassa, mikä mahdollistaa työpöydän kokoisten neutronilähteiden käytön.
Neutroniaktivaatioanalyysillä on laaja valikoima sovelluksia. Sitä voidaan käyttää valmistavassa teollisuudessa metallien epäpuhtauksien havaitsemiseen, biologiassa hivenaineaineenvaihdunnan tutkimukseen, geologiassa kivi- ja maanäytteiden analysointiin ja oikeuslääketieteessä ratkaisevan tiedon saamiseksi rikospaikkanäytteistä. Yksi hyvin tunnettu esimerkki neutronien aktivaatioanalyysistä toiminnassa on havainto, että kaikki John F. Kennedyn salamurhakohtauksen luodinpalaset olivat peräisin samoista kahdesta luodista, jotka ammuttiin samasta aseesta. Toinen esimerkki oli runsaasti iridiumia sisältävän sedimentin kerroksen löytäminen liitukauden ja kolmannen geologisen ajanjakson väliseltä rajalta, mikä osoitti suuren meteoriitin törmäyksen, joka osui enemmän tai vähemmän samaan aikaan massasukupuuttotapahtuman kanssa, joka merkitsi dinosaurusten kuolemaa.