Rutherford hade upptäckt atomkärnan 1911 och hade observerat protonen 1919. Det verkade emellertid att det måste finnas något i kärnan förutom protoner. Helium var till exempel känt för att ha ett atomnummer på 2 men ett massantal på 4. Vissa forskare trodde att det fanns ytterligare protoner i kärnan, tillsammans med lika många elektroner för att avbryta den extra laddningen. 1920 föreslog Rutherford att en elektron och en proton faktiskt kunde kombineras för att bilda en ny neutral partikel, men det fanns inga verkliga bevis för detta och den föreslagna neutrala partikeln skulle vara svår att upptäcka.

Chadwick fortsatte med att arbeta med andra projekt, men fortsatte att tänka på problemet. Omkring 1930 hade flera forskare, däribland den tyska fysikern Walter Bothe och hans student Becker, börjat bombardera beryllium med alfapartiklar från en poloniumkälla och studera strålningen som berylliet avger som ett resultat. Vissa forskare trodde att denna mycket penetrerande strålning som avges av beryllium bestod av högenergifotoner. Chadwick hade märkt några udda egenskaper hos denna strålning och började tänka att den istället skulle kunna bestå av neutrala partiklar som de som Rutherford hade föreslagit. studerade den då oidentifierade strålningen från beryllium när den träffade ett paraffinvaxmål. De fann att denna strålning slog lösa protoner från väteatomer i det målet, och de protonerna lindades tillbaka med mycket hög hastighet.

Joliot-Curie trodde att strålningen som träffar paraffinmålet måste vara gammafotoner med hög energi, men Chadwick tyckte att förklaringen inte passade. Fotoner, utan massa, skulle inte slå lösa partiklar så tunga som protoner från målet, resonerade han. År 1932 försökte han liknande experiment själv och blev övertygad om att strålningen som kastades ut av berylliet faktiskt var en neutral partikel om en protons massa. Han försökte också andra mål utöver paraffinvaxet, inklusive helium, kväve och litium, vilket hjälpte honom att bestämma att massan av den nya partikeln bara var lite mer än protonens massa.

Chadwick noterade också att eftersom neutronerna inte hade någon laddning, trängde de mycket längre in i ett mål än protoner skulle göra.

I februari 1932, efter att ha experimenterat i ungefär två veckor, publicerade Chadwick en uppsats med titeln ”Det möjliga förekomsten av en neutron, ”där han föreslog att bevisen gynnade neutronen snarare än gammastrålningens fotoner som den korrekta tolkningen av den mystiska strålningen. Sedan några månader senare, i maj 1932, lämnade Chadwick in det mer bestämda dokumentet med titeln” Existensen av en neutron. ”

År 1934 hade det konstaterats att den nyupptäckta neutronen i själva verket var en ny grundpartikel, inte en proton och en elektron bunden ihop som Rutherford ursprungligen föreslog.

Upptäckten av neutron snabbt cha forskarnas syn på atomen, och Chadwick tilldelades Nobelpriset 1935 för upptäckten. Forskare insåg snart att den nyupptäckta neutronen, som en oladdad men ganska massiv partikel, kunde användas för att sondra andra kärnor. Det tog inte lång tid för forskare att upptäcka att slå uran med neutroner resulterade i klyvning av urankärnan och frigöring av otroliga mängder energi, vilket möjliggjorde kärnvapen. Chadwick, vars upptäckt av neutronen hade banat väg för atombomben, arbetade på Manhattan-projektet under andra världskriget. Han dog 1974.