Rutherford descoperise nucleul atomic în 1911 și observase protonul în 1919. Cu toate acestea, se părea că trebuie să existe ceva în nucleul pe lângă protoni. De exemplu, se știe că heliul are un număr atomic de 2, dar un număr de masă de 4. Unii oameni de știință au crezut că există protoni suplimentari în nucleu, împreună cu un număr egal de electroni pentru a anula taxa suplimentară. În 1920, Rutherford a propus că un electron și un proton s-ar putea combina de fapt pentru a forma o nouă particulă neutră, dar nu existau dovezi reale în acest sens, iar particula neutră propusă ar fi dificil de detectat.

Chadwick a continuat să lucreze la alte proiecte, dar s-a tot gândit la problemă. În jurul anului 1930, mai mulți cercetători, printre care fizicianul german Walter Bothe și elevul său Becker, începuseră să bombardeze beriliu cu particule alfa dintr-o sursă de poloniu și să studieze radiațiile emise de beriliu ca urmare. Unii oameni de știință au crezut că această radiație extrem de penetrantă emisă de beriliu constă din fotoni cu energie mare. Chadwick a observat unele trăsături ciudate ale acestei radiații și a început să creadă că ar putea consta în schimb din particule neutre, precum cele pe care le propusese Rutherford.

Un experiment în special i-a atras atenția: Frédéric și Irène Joliot-Curie a studiat radiația de beriliu neidentificată atunci când a lovit o țintă de ceară de parafină. Ei au descoperit că această radiație a scos protoni din atomii de hidrogen din acea țintă, iar acești protoni s-au retras cu o viteză foarte mare.

Joliot-Curie credea că radiația care atinge ținta de parafină trebuie să fie fotoni gamma cu energie ridicată, dar Chadwick a crezut că această explicație nu se potrivește. Fotonii, neavând masă, nu ar bate particule libere la fel de grele ca protonii de la țintă, a argumentat el. În 1932, el a încercat el însuși experimente similare și a devenit convins că radiația ejectată de beriliu era de fapt o particulă neutră despre masa unui proton. De asemenea, el a încercat și alte ținte în plus față de ceara de parafină, inclusiv heliu, azot și litiu, ceea ce l-a ajutat să determine că masa noii particule era doar puțin mai mare decât masa protonului.

Chadwick de asemenea, a menționat că, deoarece neutronii nu aveau nicio încărcătură, au pătruns mult mai departe într-o țintă decât ar face protonii.

În februarie 1932, după ce a experimentat doar aproximativ două săptămâni, Chadwick a publicat o lucrare intitulată „The Possible Existence of un Neutron „, în care propunea că dovezile au favorizat neutronul mai degrabă decât fotonii de raze gamma ca interpretare corectă a radiației misterioase. Apoi, câteva luni mai târziu, în mai 1932, Chadwick a prezentat lucrarea mai clară intitulată” Existența un Neutron. ”

Până în 1934 se stabilise că noul neutron descoperit era de fapt o nouă particulă fundamentală, nu un proton și un electron legat împreună așa cum sugerase inițial Rutherford.

Descoperirea neutronului rapid cha a înțeles viziunea oamenilor de știință asupra atomului, iar Chadwick a primit Premiul Nobel în 1935 pentru descoperire. Oamenii de știință și-au dat seama curând că noul neutron descoperit, ca o particulă neîncărcată, dar destul de masivă, ar putea fi folosit pentru a testa alte nuclee. Nu a durat mult până când oamenii de știință au descoperit că lovirea uraniului cu neutroni a dus la fisiunea nucleului uraniului și la eliberarea unor cantități incredibile de energie, făcând posibile arme nucleare. Chadwick, a cărui descoperire a neutronului a pregătit calea bombei atomice, a lucrat la Proiectul Manhattan în timpul celui de-al doilea război mondial. A murit în 1974.