Rutherford objevil atomové jádro v roce 1911 a proton pozoroval v roce 1919. Zdálo se však, že v něm něco musí být jádro kromě protonů. Například bylo známo, že helium má atomové číslo 2, ale hmotnostní číslo 4. Někteří vědci si mysleli, že v jádře jsou další protony spolu se stejným počtem elektronů, které ruší další náboj. V roce 1920 navrhl Rutherford, že by se elektron a proton mohly ve skutečnosti spojit a vytvořit novou neutrální částici, ale neexistovaly pro to žádné skutečné důkazy a navrhovaná neutrální částice by byla obtížně detekovatelná.

Chadwick pokračoval v práci na dalších projektech, ale stále přemýšlel o problému. Kolem roku 1930 začalo několik vědců, včetně německého fyzika Waltera Botheho a jeho studenta Beckera, bombardovat berylium alfa částicemi ze zdroje polonia a výsledkem bylo studium záření emitovaného beryliem. Někteří vědci si mysleli, že toto vysoce pronikavé záření emitované beryliem sestává z vysokoenergetických fotonů. Chadwick si všiml zvláštních rysů tohoto záření a začal si myslet, že by místo toho mohl sestávat z neutrálních částic, jaké navrhoval Rutherford.

Pozornost upoutal zejména jeden experiment: Frédéric a Irène Joliot-Curie studoval tehdy neidentifikované záření z berylia, když zasáhlo cíl parafínového vosku. Zjistili, že toto záření sráželo uvolněné protony z atomů vodíku v tomto cíli a tyto protony couvly velmi vysokou rychlostí.

Joliot-Curie věřil, že záření dopadající na parafinový cíl musí být vysokoenergetické gama fotony, ale Chadwick si myslel, že toto vysvětlení nesedí. Uvažoval, že fotony, které nemají žádnou hmotu, by z cíle nevyrazily volné částice tak těžké jako protony. V roce 1932 sám zkusil podobné experimenty a přesvědčil se, že záření vystřelené beryliem je ve skutečnosti neutrální částice o hmotnosti protonu. Kromě parafínového vosku vyzkoušel také další cíle, včetně helia, dusíku a lithia, což mu pomohlo určit, že hmotnost nové částice byla jen o něco větší než hmotnost protonu.

Chadwick také poznamenal, že protože neutrony neměly žádný náboj, pronikly mnohem dále do cíle než protony.

V únoru 1932, poté, co experimentoval jen asi dva týdny, publikoval Chadwick článek s názvem „Možná existence Neutron, “ve kterém navrhl, aby důkazy upřednostňovaly neutron před fotony gama záření jako správnou interpretaci záhadného záření. O několik měsíců později, v květnu 1932, Chadwick předložil jednoznačnější dokument s názvem„ Existence a Neutron. “

V roce 1934 bylo zjištěno, že nově objevený neutron byl ve skutečnosti novou základní částicí, nikoli protonem a elektronem vázaným k sobě, jak původně navrhoval Rutherford.

Objev neutronů rychle cha pohled vědců na atom a Chadwick získal za objev v roce 1935 Nobelovu cenu. Vědci brzy zjistili, že nově objevený neutron, jako nenabitá, ale poměrně masivní částice, může být použit k průzkumu dalších jader. Vědcům netrvalo dlouho a zjistili, že zasažení neutronů uranem mělo za následek štěpení uranového jádra a uvolnění neuvěřitelného množství energie, což umožnilo jaderné zbraně. Chadwick, jehož objev neutronu připravil cestu pro atomovou bombu, pracoval během druhé světové války na projektu Manhattan. Zemřel v roce 1974.