Rutherford 1911-ben fedezte fel az atommagot, és 1919-ben megfigyelte a protont. Úgy tűnt azonban, hogy valaminek benne kell lennie a mag a protonok mellett. Például a hélium atomi száma 2, de a tömegszáma 4 volt. Egyes tudósok úgy gondolták, hogy további protonok vannak a magban, ugyanannyi elektron mellett a további töltés megszüntetése. 1920-ban Rutherford azt javasolta, hogy egy elektron és egy proton valóban összekapcsolódva új, semleges részecskét alkothasson, de erre nincsenek valós bizonyítékok, és a javasolt semleges részecskét nehéz lesz észlelni.

Chadwick más projekteken dolgozott, de tovább gondolt a problémára. 1930 körül számos kutató, köztük Walter Bothe német fizikus és tanítványa, Becker, megkezdte a berillium bombázását polónium forrásból származó alfa részecskékkel, és ennek eredményeként tanulmányozta a berillium által kibocsátott sugárzást. Egyes tudósok úgy gondolták, hogy a berillium által kibocsátott erősen behatoló sugárzás nagy energiájú fotonokból áll. Chadwick észrevette ennek a sugárzásnak néhány furcsa tulajdonságát, és kezdte azt gondolni, hogy inkább semleges részecskékből állhat, mint amilyeneket Rutherford javasolt.

Különösen egy kísérlet hívta fel magára a figyelmet: Frédéric és Irène Joliot-Curie tanulmányozta a berillium akkor még nem azonosított sugárzását, amikor az egy paraffinviasz célpontját érte. Megállapították, hogy ez a sugárzás megdöntötte a hidrogénatomok laza protonjait a célpontban, és ezek a protonok nagyon nagy sebességgel hátradőltek.

Joliot-Curie úgy vélte, hogy a paraffin célpontot eltaláló sugárzásnak nagy energiájú gammafotonoknak kell lennie, Chadwick azonban úgy gondolta, hogy ez a magyarázat nem felel meg. A fotonok, mivel nincsenek tömegük, nem ütnének ki olyan nehéz laza részecskéket, mint a protonok a célpontból – indokolta. 1932-ben maga is kipróbált hasonló kísérleteket, és meggyőződött arról, hogy a berillium által kibocsátott sugárzás valójában semleges részecske a proton tömegére. A paraffinviasz mellett más célpontokat is kipróbált, köztük a héliumot, a nitrogént és a lítiumot, amelyek segítettek megállapítani, hogy az új részecske tömege valamivel több, mint a proton tömege.

Chadwick megjegyezte azt is, hogy mivel a neutronoknak nem volt töltésük, sokkal jobban behatoltak a célpontba, mint a protonok.

1932 februárjában, csak körülbelül két hétig tartó kísérletezés után Chadwick publikált egy cikket „A egy neutron “, amelyben azt javasolta, hogy a bizonyítékok a titokzatos sugárzás helyes értelmezésének inkább a neutron helyett a gammasugár fotonokat részesítsék előnyben. Aztán néhány hónappal később, 1932 májusában Chadwick benyújtotta a határozottabb írást” The Existence of egy neutron. ”

1934-re megállapították, hogy az újonnan felfedezett neutron valójában egy új alaprészecske, nem pedig proton és elektron, amelyek összekapcsolódtak, amint azt Rutherford eredetileg javasolta.

A neutron felfedezése gyorsan cha elismert tudósok véleményét az atomról, és Chadwick 1935-ben Nobel-díjat kapott a felfedezésért. A tudósok hamar rájöttek, hogy az újonnan felfedezett neutron, mint töltetlen, de meglehetősen masszív részecske felhasználható más magok szondázására. Nem kellett sok idő, amíg a tudósok azt tapasztalták, hogy az urán neutronokkal való ütése az uránmag hasadásához és hihetetlen mennyiségű energia felszabadulásához vezetett, ami atomfegyvereket tett lehetővé. Chadwick, akinek a neutron felfedezése utat nyitott az atombomba előtt, a második világháború alatt dolgozott a manhattani projekten. 1974-ben halt meg.