Thermische Neutronen sind langsame freie Neutronen mit einer kinetischen Energie von weniger als 100 meV; in der Klassifizierung der Neutronen liegen sie zwischen den kalten und den schnellen Neutronen. Die Bezeichnung weist darauf hin, dass die Neutronen durch wiederholte Streuung in einem Medium ins Gleichgewicht mit dessen Wärmebewegung kommen. Ihre Geschwindigkeiten nehmen dadurch eine entsprechende Maxwell-Verteilung an, die durch eine Temperatur beschrieben werden kann.
Thermische Neutronen spielen eine wichtige Rolle in den meisten Kernreaktoren. Allerdings liegt dort (zumindest in Leistungsreaktoren) wegen der Arbeitstemperatur ihre Energie merklich über den unten berechneten 0,025 eV. Weiterhin werden sie bei der Neutronenstreuung als ein wichtiges Werkzeug der Strukturforschung an Materialien verwendet.
Bei Zimmertemperatur wird als nominelle Energie gewöhnlich $ k_{B}T\approx {0},025\,\mathrm {eV} $ veranschlagt; genauer beträgt die mittlere kinetische Energie (wie beim einatomigen Gas)
mit
Neutronen sind bei ihrer Freisetzung aus Atomkernen stets „schnell“ (10 keV bis 20 MeV). Die Verringerung ihrer kinetischen Energie, d. h. die Abbremsung auf thermische Geschwindigkeit (und damit thermische Energie) erfolgt durch Streuung in Moderatoren wie beispielsweise Graphit oder Wasser.
Auch zur Abschirmung von Neutronenstrahlung, d. h. zur Verringerung der Strahlenintensität, werden die Neutronen zunächst durch einen Moderator thermalisiert, um dann von einem Material mit großem Absorptions-Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen, beispielsweise Bor oder Cadmium, absorbiert zu werden.