Rutherford avait découvert le noyau atomique en 1911 et avait observé le proton en 1919. Cependant, il semblait qu’il devait y avoir quelque chose dans le noyau en plus des protons. Par exemple, l’hélium était connu pour avoir un numéro atomique de 2 mais un nombre de masse de 4. Certains scientifiques pensaient qu’il y avait des protons supplémentaires dans le noyau, ainsi qu’un nombre égal d’électrons pour annuler la charge supplémentaire. En 1920, Rutherford a proposé qu’un électron et un proton puissent en fait se combiner pour former une nouvelle particule neutre, mais il n’y avait aucune preuve réelle de cela, et la particule neutre proposée serait difficile à détecter.

Chadwick a continué à travailler sur d’autres projets, mais a continué à réfléchir au problème. Vers 1930, plusieurs chercheurs, dont le physicien allemand Walter Bothe et son élève Becker, avaient commencé à bombarder du béryllium avec des particules alpha d’une source de polonium et à étudier le rayonnement émis par le béryllium en conséquence. Certains scientifiques pensaient que ce rayonnement hautement pénétrant émis par le béryllium était constitué de photons de haute énergie. Chadwick avait remarqué quelques caractéristiques étranges de ce rayonnement, et a commencé à penser qu’il pourrait plutôt être constitué de particules neutres comme celles proposées par Rutherford.

Une expérience en particulier a retenu son attention: Frédéric et Irène Joliot-Curie avaient a étudié le rayonnement alors non identifié du béryllium lorsqu’il a frappé une cible de cire de paraffine. Ils ont découvert que ce rayonnement faisait tomber les protons des atomes d’hydrogène de cette cible et que ces protons reculaient à une vitesse très élevée.

Joliot-Curie pensait que le rayonnement frappant la cible de paraffine devait être des photons gamma de haute énergie, mais Chadwick pensait que cette explication ne convenait pas. Les photons, n’ayant pas de masse, ne feraient pas tomber des particules lâches aussi lourdes que des protons de la cible, a-t-il raisonné. En 1932, il essaya lui-même des expériences similaires et devint convaincu que le rayonnement éjecté par le béryllium était en fait une particule neutre de la masse d’un proton. Il a également essayé d’autres cibles en plus de la cire de paraffine, notamment l’hélium, l’azote et le lithium, ce qui l’a aidé à déterminer que la masse de la nouvelle particule était juste légèrement supérieure à la masse du proton.

Chadwick a également noté que parce que les neutrons n’avaient aucune charge, ils ont pénétré beaucoup plus loin dans une cible que les protons ne le feraient.

En février 1932, après avoir expérimenté pendant seulement environ deux semaines, Chadwick a publié un article intitulé « L’existence possible de un neutron », dans lequel il proposait que les preuves favorisaient le neutron plutôt que les photons gamma comme interprétation correcte du rayonnement mystérieux. Puis, quelques mois plus tard, en mai 1932, Chadwick soumit l’article plus précis intitulé« L’existence de un neutron. »

En 1934, il avait été établi que le neutron nouvellement découvert était en fait une nouvelle particule fondamentale, pas un proton et un électron liés ensemble comme Rutherford l’avait initialement suggéré.

La découverte des neutrons rapidement cha nged la vision des scientifiques de l’atome, et Chadwick a reçu le prix Nobel en 1935 pour la découverte. Les scientifiques se sont vite rendu compte que le neutron nouvellement découvert, en tant que particule non chargée mais assez massive, pouvait être utilisé pour sonder d’autres noyaux. Il n’a pas fallu longtemps aux scientifiques pour découvrir que le fait de frapper l’uranium avec des neutrons entraînait la fission du noyau d’uranium et la libération d’incroyables quantités d’énergie, rendant ainsi possible l’arme nucléaire. Chadwick, dont la découverte du neutron avait ouvert la voie à la bombe atomique, a travaillé sur le projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale. Il est décédé en 1974.