การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอน
(Neutron Activation Analysis)

การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอน เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ชนิดของธาตุ และปริมาณธาตุในตัวอย่าง โดยการทำให้ไอโซโทปเสถียร กลายเป็นไอโซโทปรังสี ซึ่งจะสลายตัวกลับเป็นไอโซโทปเสถียร โดยการปลดปล่อยรังสีที่มีพลังงานจำเพาะของแต่ละไอโซโทปออกมา

ตัวอย่างที่อาบนิวตรอน (neutron irradiation) จะทำให้นิวเคลียสของธาตุในตัวอย่างดูดกลืนนิวตรอน แล้วกลายเป็นสารกัมมันตรังสี เรียกว่า นิวไคลด์รังสี (radionuclide) หรือไอโซโทปรังสี (radioisotope) ซึ่งมีการสลายตัว โดยปลดปล่อยรังสีอัลฟา รังสีบีตา หรือรังสีแกมมา ที่มีพลังงานของรังสี และครึ่งชีวิตของไอโซโทปที่เป็นค่าจำเพาะ

ในการอาบนิวตรอน ปฏิกิริยาส่วนใหญ่ เกิดขึ้นระหว่างนิวเคลียสของธาตุ กับนิวตรอนที่มีพลังงานต่ำ หรือเทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutron) เรียกว่า ปฏิกิริยาการจับนิวตรอน (neutron capture gamma ray) ซึ่งนิวเคลียสจะดูดกลืนนิวตรอน แล้วปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมา ใช้สัญลักษณ์ของปฏิกิริยาเป็น (n,g) ตัวอย่างปฏิกิริยาระหว่างอลูมิเนียมกับนิวตรอน ได้แก่ ปฏิกิริยา Al-27(n,g)Al-28

 
 
ปฏิกิริยา neutron capture gamma ray
 
นิวตรอนพลังงานสูงหรือฟาสต์นิวตรอน (fast neutron) เมื่อทำปฏิกิริยาแล้ว นิวเคลียสจะปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา เรียกว่า ปฏิกิริยา (n,a) หรือปลดปล่อยโปรตอน เรียกว่า ปฏิกิริยา (n,p) ตัวอย่างได้แก่ ปฏิกิริยา Al-27(n,p)Mg-27 และปฏิกิริยา Al-27(n,a)Na-24
 
 
เมื่อตัวอย่างได้รับนิวตรอน อัตราการเกิดปฏิกิริยา (activation rate: A) จะแปรผันตามความเข้ม หรือฟลักซ์ของนิวตรอน (neutron flux: f) จำนวนนิวเคลียสของธาตุ (target nuclide: N) และครอสเซคชั่น (cross section: s) ซึ่งเป็นสัมประสิทธิ์ในการเกิดปฏิกิริยา ระหว่างนิวตรอนกับนิวเคลียสของธาตุ โดยเป็นค่าคงที่สำหรับแต่ละนิวไคลด์ มีหน่วยเป็น บาร์น (barn) หรือ 10-24 cm2
  A = s f N
การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอน โดยทั่วไปจะทำการวิเคราะห์โดยเปรียบเทียบกับสารมาตรฐาน ที่ทราบชนิดและปริมาณธาตุ เมื่ออาบนิวตรอนสารตัวอย่างในลักษณะเดียวกับสารมาตรฐาน จะทำให้คำนวณปริมาณธาตุแต่ละชนิดในสารตัวอย่าง ได้จากการวัดกัมมันตภาพรังสี ตามสมการ
เมื่อ
Nsample = ปริมาณธาตุในตัวอย่าง
  Nstd = ปริมาณธาตุในสารมาตรฐาน
  Asample = กัมมันตภาพรังสีของตัวอย่าง
  Astd = กัมมันตภาพรังสีของสารมาตรฐาน
ไอโซโทปรังสีส่วนใหญ่ สลายตัวโดยการปลดปล่อยทั้งรังสีบีตา และรังสีแกมมา แต่การวิเคราะห์โดยทั่วไป จะวัดกัมมันตภาพจากรังสีแกมมา เนื่องจากทำได้สะดวกและให้ความแม่นยำสูง โดยใช้ระบบวัดรังสีที่มีกำลังแยกสูง (high resolution) เช่น หัววัดรังสีแกมมาแบบสารกึ่งตัวนำ (semiconductor detector) ซึ่งได้ผลเป็นค่านับวัด (count) ของแถบต่อเนื่องของพลังงานรังสีแกมมา เรียกว่า สเปกตรัมรังสีแกมมา (gamma ray spectrum)
 
 
สเปกตรัมรังสีแกมมาของตัวอย่างซิลิกอนออกไซด์อาบนิวตรอน
 
 
สเปกตรัมรังสีแกมมาของตัวอย่างหินที่มีแร่ทองคำอาบนิวตรอน
สเปกตรัมรังสีแกมมาจากการสลายตัวของไอโซโทปรังสีในตัวอย่าง สามารถนำมาระบุชนิดของธาตุได้ โดยการเทียบกับข้อมูลในคู่มือตารางนิวไคลด์ ซึ่งแสดงชนิดของไอโซโทปรังสี พลังงานรังสีแกมมาที่ปลดปล่อยออกมา และครึ่งชีวิตของไอโซโทป ดังตัวอย่างในตารางที่ 1
             ตารางที่ 1 พลังงานรังสีแกมมา และครึ่งชีวิตของไอโซโทปรังสีในแต่ละธาตุ
ธาตุ
ไอโซโทปรังสี
ครึ่งชีวิต
พลังงานรังสีแกมมา (keV)
 
Sodium
Na-24
14.57 h
1368.6, 2754.0
 
Magnesium
Mg-27
9.46 min.
843.8, 1014.4
 
Aluminium
Al-28
2.24 min.
1779.0
 
Chlorine
Cl-38
37.2 min.
1642.1, 2167.7
 
Potassium
K-42
12.4 h
1524.6
 
Calcium
Ca-49
8.72 min.
3084.5
 
Vanadium
V-52
3.75 min.
1434.1
 
Chromium
Cr-51
27.70 d
320.1
 
Manganese
Mn-56
2.578 h
846.8, 1810.8, 2113.2
 
Iron
Fe-59
44.5 d
1099.3, 1291.6
 
Cobalt
Co-60
5.27 y
1173.2, 1332.5
 
Copper
Cu-64
12.70 h
1345.8
 
Arsenic
As-76
16.3 h
559.1, 657.1
 
Bromine
Br-82
35.3 h
616.9, 665.94
 
Silver
Ag-110m
250 d
657.8, 763.9, 884.7, 937.5, 1384.3
 
Lanthanum
La-140
40.3 h
328.8, 487.0, 815.8, 1596.4
 
Europium
Eu-152
13.3 y
121.8, 344.3, 1408.0
 
Tungsten
W-187
23.9 h
72.0, 134.2, 479.5, 551.5, 618.3, 685.7, 772.9
 
Iridium
Ir-192
73.8 d
296.0, 308.5, 316.5, 468.0, 588.6, 604.4, 612.5
 
Gold
Au-198
2.69 d
411.8, 657.9
การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอน เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ที่มีความไวสูง สามารถวิเคราะห์เพื่อหาธาตุที่มีปริมาณน้อย (trace elememnt) ได้ดี ให้ความแม่นยำสูง จึงเป็นเทคนิคที่มีการนำมาประกอบการวิเคราะห์ธาตุ ในสารมาตรฐานโดยทั่วไป การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอน สามารถวิเคราะห์ได้โดยไม่ทำลายตัวอย่าง มีการนำมาใช้ในการวิเคราะห์ปริมาณธาตุ ในตัวอย่างหลายประเภท เช่น การวิเคราะห์ปริมาณแร่ธาตุในตัวอย่างทางธรณีวิทยา การวิเคราะห์ปริมาณธาตุเพื่อจัดกลุ่มตัวอย่างทางโบราณคดี การวิเคราะห์ธาตุในตัวอย่างทางการแพทย์ การเกษตร อุตสาหกรรม และทางด้านสิ่งแวดล้อม