Rutherford hadde oppdaget atomkjernen i 1911, og hadde observert protonen i 1919. Det virket imidlertid som om det måtte være noe i kjernen i tillegg til protoner. For eksempel var det kjent at helium hadde et atomnummer på 2, men et massetall på 4. Noen forskere trodde at det var flere protoner i kjernen, sammen med like mange elektroner for å avbryte tilleggsavgiften. I 1920 foreslo Rutherford at et elektron og et proton faktisk kunne kombineres for å danne en ny, nøytral partikkel, men det var ingen reelle bevis for dette, og den foreslåtte nøytrale partikkelen ville være vanskelig å oppdage.

Chadwick fortsatte med å jobbe med andre prosjekter, men fortsatte å tenke på problemet. Rundt 1930 hadde flere forskere, inkludert den tyske fysikeren Walter Bothe og hans student Becker begynt å bombardere beryllium med alfapartikler fra en poloniumkilde og studere strålingen som berylliumet sendte ut som et resultat. Noen forskere mente at denne sterkt gjennomtrengende strålingen fra berylliumet bestod av høynergifotoner. Chadwick hadde lagt merke til noen merkelige trekk ved denne strålingen, og begynte å tenke at den i stedet kunne bestå av nøytrale partikler som de Rutherford hadde foreslått.

Spesielt ett eksperiment fikk oppmerksomhet: Frédéric og Irène Joliot-Curie hadde studerte den da uidentifiserte strålingen fra beryllium da den traff et parafinvoksmål. De fant at denne strålingen banket løs protoner fra hydrogenatomer i det målet, og de protonene trekket tilbake med veldig høy hastighet.

Joliot-Curie mente at strålingen som rammer parafinmålet må være gammafotoner med høy energi, men Chadwick mente at forklaringen ikke passet. Fotoner, uten masse, ville ikke banke løse partikler så tunge som protoner fra målet, resonnerte han. I 1932 prøvde han lignende eksperimenter selv, og ble overbevist om at strålingen som ble kastet ut av beryllium, faktisk var en nøytral partikkel om massen til en proton. Han prøvde også andre mål i tillegg til parafinvoks, inkludert helium, nitrogen og litium, som hjalp ham med å bestemme at massen til den nye partikkelen bare var litt mer enn massen til protonen.

Chadwick bemerket også at fordi nøytronene ikke hadde noen ladning, trengte de mye lenger inn i et mål enn protoner ville.

I februar 1932, etter å ha eksperimentert i bare rundt to uker, publiserte Chadwick en artikkel med tittelen «The Possible Existence of en nøytron, «der han foreslo at bevisene favoriserte nøytronet i stedet for gammastrålefotonene som den riktige tolkningen av den mystiske strålingen. Så noen måneder senere, i mai 1932, sendte Chadwick det mer bestemte papiret med tittelen» The Existence of en nøytron. ”

Innen 1934 var det blitt konstatert at det nylig oppdagede nøytronet faktisk var en ny grunnleggende partikkel, ikke en proton og et elektron bundet sammen slik Rutherford opprinnelig hadde antydet.

Oppdagelsen av nøytron raskt cha nged forskernes syn på atomet, og Chadwick ble tildelt Nobelprisen i 1935 for oppdagelsen. Forskere innså snart at det nylig oppdagede nøytronet, som en uladet, men ganske massiv partikkel, kunne brukes til å undersøke andre kjerner. Det tok ikke lang tid før forskere fant at å slå uran med nøytroner resulterte i splittelse av urankjernen og frigjøring av utrolige mengder energi, noe som muliggjorde atomvåpen. Chadwick, hvis oppdagelse av nøytronet hadde banet vei for atombomben, jobbet på Manhattan-prosjektet under andre verdenskrig. Han døde i 1974.