Rutherford havde opdaget atomkernen i 1911 og havde observeret protonen i 1919. Det syntes imidlertid, at der måtte være noget i kernen ud over protoner. F.eks. Vidste man, at helium havde et atomnummer på 2, men et massetal på 4. Nogle forskere troede, at der var yderligere protoner i kernen sammen med et lige antal elektroner til at annullere den ekstra afgift. I 1920 foreslog Rutherford, at en elektron og en proton faktisk kunne kombineres for at danne en ny, neutral partikel, men der var ingen reelle beviser for dette, og den foreslåede neutrale partikel ville være vanskelig at opdage.

Chadwick fortsatte med at arbejde på andre projekter, men blev ved med at tænke på problemet. Omkring 1930 var flere forskere, herunder den tyske fysiker Walter Bothe og hans studerende Becker begyndt at bombardere beryllium med alfapartikler fra en poloniumkilde og undersøge den stråling, der blev udsendt af beryllium som et resultat. Nogle forskere mente, at denne stærkt gennemtrængende stråling udsendt af beryllium bestod af højenergifotoner. Chadwick havde bemærket nogle ulige træk ved denne stråling og begyndte at tænke, at den måske i stedet kunne bestå af neutrale partikler som dem, Rutherford havde foreslået.

Et eksperiment især fangede hans opmærksomhed: Frédéric og Irène Joliot-Curie havde studerede den daværende uidentificerede stråling fra beryllium, da den ramte et paraffinvoksmål. De fandt ud af, at denne stråling bankede løse protoner fra brintatomer i det mål, og disse protoner trækkes tilbage med meget høj hastighed.

Joliot-Curie mente, at strålingen, der rammer paraffinmålet, skal være gammafotoner med høj energi, men Chadwick mente, at forklaringen ikke passede. Fotoner, der ikke havde nogen masse, ville ikke banke løse partikler så tunge som protoner fra målet, begrundede han. I 1932 forsøgte han selv lignende eksperimenter og blev overbevist om, at den stråling, der blev udskudt af beryllium, faktisk var en neutral partikel omkring massen af en proton. Han prøvede også andre mål ud over paraffinvoks, herunder helium, nitrogen og lithium, som hjalp ham med at bestemme, at massen af den nye partikel var lidt mere end protonens masse.

Chadwick bemærkede også, at fordi neutronerne ikke var ladet, trængte de meget længere ind i et mål end protoner ville. en neutron, “hvor han foreslog, at bevismaterialet begunstigede neutronen i stedet for gammastrålefotoner som den korrekte fortolkning af den mystiske stråling. Derefter fremlagde Chadwick et par måneder senere, i maj 1932, det mere bestemte papir med titlen” The Existence of en neutron. ”

I 1934 var det blevet fastslået, at den nyopdagede neutron faktisk var en ny grundlæggende partikel, ikke en proton og en elektron bundet sammen som Rutherford oprindeligt havde foreslået.

Opdagelsen af neutron hurtigt cha nede videnskabsmænds syn på atomet, og Chadwick blev tildelt Nobelprisen i 1935 for opdagelsen. Forskere indså hurtigt, at den nyopdagede neutron, som en uopladet, men ret massiv partikel, kunne bruges til at undersøge andre kerner. Det tog ikke lang tid før forskere fandt ud af, at det at ramme uran med neutroner resulterede i fission af urankernen og frigivelsen af utrolige mængder energi, hvilket muliggjorde atomvåben. Chadwick, hvis opdagelse af neutronen havde banet vejen for atombomben, arbejdede på Manhattan-projektet under anden verdenskrig. Han døde i 1974.