L’analyse par activation neutronique (AAN) est une méthode très sensible et précise pour déterminer les éléments présents dans un échantillon de matériau. L’échantillon est ciblé avec des neutrons provenant d’une source radioactive. Cela amène de nombreux éléments présents à émettre des rayons gamma à des fréquences spécifiques, à partir desquelles ils peuvent être identifiés. Environ 65 éléments différents peuvent ainsi être détectés. C’est l’une des techniques scientifiques les plus utiles pour étudier la composition élémentaire des échantillons et a de nombreuses applications en chimie analytique, géologie, science médico-légale et dans d’autres domaines.
Lorsqu’un neutron frappe le noyau d’un atome, il est souvent absorbé, formant un isotope plus lourd et émettant un rayon gamma. Dans de nombreux cas, ces isotopes sont instables et se désintègrent en un autre isotope plus léger après un court délai, émettant un ou plusieurs rayons gamma à des énergies caractéristiques de cet isotope. Par exemple, l’isotope le plus courant du sodium – le sodium-23 – peut absorber un neutron, formant l’isotope instable sodium-24, qui se désintègre ensuite en magnésium-24, émettant deux rayons gamma à des énergies spécifiques. En mesurant les énergies des rayons gamma et la quantité émise, les éléments présents et leur abondance au sein de l’échantillon peuvent tous deux être déterminés. Le rayon gamma initial, émis immédiatement lorsque le neutron est absorbé, est appelé rayon gamma prompt, mais ce sont généralement les rayons gamma retardés qui sont mesurés.
L’analyse par activation neutronique est une technique très sensible. Il peut détecter des éléments à raison d’une partie par million ou moins, et dans certains cas, jusqu’à une partie par milliard. La méthode est également très polyvalente, en ce sens qu’elle peut analyser des échantillons sous forme solide, liquide et gazeuse et peut traiter des tailles d’échantillon jusqu’à 0.000035 onces (0.001 gramme).
La source de neutrons est parfois appelée obusier à neutrons. Lorsque certains éléments légers sont soumis à des particules alpha, leurs noyaux émettent des neutrons. L’élément béryllium convient particulièrement à cet effet. En mélangeant du béryllium avec une source de particules alpha, comme le plutonium 239 ou le radium 226, une forte source de neutrons peut être créée. Celui-ci peut être enfermé dans une protection contre les rayonnements appropriée, mais avec une ouverture où les neutrons peuvent émerger.
Les réacteurs nucléaires sont également utilisés comme sources de neutrons. Aux États-Unis, à Oak Ridge, Tennessee, le High Flux Isotope Reactor (HFIR) fournit une source de neutrons au Oak Ridge National Laboratory, ce qui en fait un centre majeur pour l’analyse par activation neutronique. Les éléments radioactifs qui produisent des neutrons par fission nucléaire, par exemple le californium-252, peuvent également être utilisés à plus petite échelle, ce qui permet d’utiliser des sources de neutrons de la taille d’un ordinateur.
L’analyse par activation neutronique a un large éventail d’applications. Il peut être utilisé dans l’industrie manufacturière pour détecter les impuretés dans les métaux, en biologie pour étudier le métabolisme des éléments traces, en géologie pour analyser des échantillons de roche et de sol et en médecine légale pour obtenir des informations cruciales à partir d’échantillons de scènes de crime. Un exemple spécifique bien connu d’analyse d’activation de neutrons en action est la découverte que tous les fragments de balles de la scène de l’assassinat de John F. Kennedy provenaient des deux mêmes balles, tirées du même pistolet. Un autre exemple a été la découverte d’une couche de sédiments riches en iridium à la frontière entre les périodes géologiques crétacée et tertiaire, indiquant un impact météoritique majeur qui a plus ou moins coïncidé avec un événement d’extinction de masse qui a marqué la disparition des dinosaures.