Nevtronski žarek je tok nevtronov, ki so subatomski delci, ki nimajo električnega naboja in se skupaj s pozitivno nabitimi protoni nahajajo v jedrih vseh kemičnih elementov, razen najpogostejše oblike vodika, ki ima samo proton. Čeprav so nevtroni v jedru stabilni, prosti nevtron razpade na proton, elektron in drug delec, imenovan elektronski antinevtrino; izolirani nevtroni imajo razpolovno dobo nekaj več kot 10 minut, kar pomeni, da bo po tem obdobju polovica nevtronov v danem vzorcu razpadla. Prosti nevtroni nastanejo z jedrsko fisijo, na primer v jedrskem reaktorju, in jih je mogoče ustvariti v pospeševalnikih delcev. Nevtronski žarek ima veliko pomembnih aplikacij v znanosti o materialih, medicini in varnosti.
Nevtronski žarki se običajno proizvajajo z nevtronskimi generatorji, ki so pospeševalniki delcev, ki sprožijo devterij ali tritijeve ione v tarče, ki vsebujejo devterij, tritij ali oboje. Deuterij in tritij sta izotopa vodika, ki vsebujeta en in dva nevtrona. S fuzijo devterija in tritija nastanejo nevtroni, ki jih je mogoče usmeriti v nevtronski žarek. Nevtronski generatorji te vrste so lahko relativno majhni in prenosni.
Čeprav večina oblik sevanja deluje z oblaki elektronov, ki obdajajo atomska jedra, nevtroni, ki so električno nevtralni in niso oblika elektromagnetnega sevanja, delujejo le z jedri, ki so glede na celoten atom zelo majhna. Nevtronski žarek je zato zelo prodoren in lahko pokaže položaje atomskih jeder v vzorcu materiala. Za razliko od rentgenskih žarkov lahko nevtronski žarki zlahka prodrejo v težke kovine, kot je svinec, vendar bodo v interakciji tudi z lahkimi elementi, kot sta vodik in ogljik. Po kvantni teoriji se lahko vsi subatomski delci obnašajo kot valovi, zato imajo nevtroni valovne dolžine. To omogoča natančno nastavitev nevtronskega žarka; tako valovno dolžino kot energijo žarka je mogoče prilagoditi za zaznavanje specifičnih materialov.
Posebne lastnosti nevtronskih žarkov so povzročile širok spekter uporabe, zlasti kot alternativno tehniko slikanja, ki jo je mogoče uporabiti v situacijah, ko rentgenski žarki niso učinkoviti. Uporabljajo se lahko za preučevanje notranjih struktur materialov, kot je odkrivanje razpok in votlin v kovinskih komponentah, ter za določanje atomske in molekularne strukture spojin. Njihova sposobnost zaznavanja lažjih elementov, vendar prehajanja skozi težje, omogoča uporabo nevtronskih žarkov za varnostne preglede. Zaznajo lahko na primer skrite eksplozive ali radioaktivne snovi. Nevtronski žarki imajo tudi pomembno medicinsko uporabo, predvsem pri zdravljenju nekaterih oblik raka; nevtronska radioterapija lahko uniči tumorje, ki so odporni na konvencionalno radioterapijo.