偉大的實驗物理學家盧瑟福在大量的實驗基礎上，預言性地推斷了幾種原子核的結構模型。有關原子核中存在中性粒子的第一個假說是他於1920年6月3日在英國皇家學會舉行的貝克裏安講座的著名報告中，以豐富的想像力提出的，他說：“在某些情況下，也許由一個電子與質子更加緊密地結合在一起，組成一個中性複合粒，要解釋重元素的組成，這種單獨的中性粒子的存在看來幾乎是必要的。”這就是他的新原子核模型之一——“中子”，它的原子量為1，電荷為零，他仍然將這種“中子”描繪成一個質子和電子的合成體。當時任何人都完全不清楚，為什麼一個原子中有些電子會被束縛在原子核內，而其他電子卻在核外大得多的軌道上旋轉。
同年的聖誕節，盧瑟福在給少年兒童講科普知識時，再次說：既然原子中有帶負電的電子，有帶正電的質子，為什麼不能有不帶電的中性粒子呢？當時人們認為盧瑟福提出的假說很有道理，並把他所提到了“中性粒子”稱為“中子”。當時，盧瑟福的學生和同事們深信他的預言是科學的預言，於是便開始了一場轟轟烈烈的尋找中子的實驗。1921年卡文迪許實驗室的兩名研究人員格拉森和羅伯茲做了一係列的實驗，希望能在氫放電管中探測這種中性粒子的生成，但都沒有獲得成功。1923年，查德威克用蓋革發明的點計數器進行實驗也沒有效果。1924年，查德威克認為用20萬伏電壓來加速質子，將這種高速的質子打入原子，也許能找到一些證據，於是他帶領實驗室的其他研究員，開始籌備實驗，他們東拚西湊，遺憾的是，無論怎樣，他們也沒有力量建成這樣大規模的高電壓裝置，隻能用忒斯拉線圈產生高壓，而這樣得到的質子速度遠不能滿足需要。就這樣，查德威克等人又采用不同的方法激勵放電管，用放射性物質的衰變，用α粒子產生的人工裂變，但是依舊沒能找到通向新領域的突破點。
錯失良機
1929年，盧瑟福和查德威克撰文討論了尋找中子的可能方案。他們對元素鈹特別感興趣，因為鈹在α粒子的轟擊下是不發射質子的，他們根據鈹礦往往含有大量氦的事實，猜測鈹核在輻射的作用下，也許會分裂成為兩個α粒子和一個中子。
正當查德威克準備好了鈹源和實驗用的放大線路時，德國人波特比他們更早地發表了用釙α射線轟擊鈹的實驗結果。波特是蓋革的合作者，他曾幫助蓋革改進計數器，並有效地用之於探測微觀粒子。1928年起，波特和他的學生貝克爾利用釙源發射的α粒子轟擊一係列輕元素，在眾多的轟擊對象中，發現有一種元素有特殊的性能，這種元素就是鈹。他們用釙源的α粒子轟擊鈹靶，原想打出質子，但未發現質子，卻發現一種穿透力很強的中性輻射，它能穿過鉛板，被計數管記錄下來，他們斷言這是γ射線，他們不僅用吸收法，而且用符合法測量了這一中性輻射的能量，它的能量要比用來轟擊的α粒子所帶的能量還大，比當時所知道的任何元素放出的γ射線的能量都要高。他們的測量曆時兩年，多次反複地進行實驗，實驗結果完全相同。1930年，他們發表了這一實驗結果。
現在我們知道，雖然利用α粒子轟擊鈹是一個產生中子的反應，但是由於受到實驗條件的限製，當時他們所用的計數管對中子無反應，而且α源很弱，因而他們錯過了觀測中子的機會。
查德威克對波特等人的研究結果感到很意外，就讓他的實習學生，一個叫韋伯斯特的澳大利亞人去進行研究，在實驗中他們得出了這種中性輻射的許多奇特性質。查德威克認為，這些性質使他很感興趣，他想這種輻射就是中子，這是堅定不移的事實。於是他叫韋伯斯特換用雲室來進行觀察，結果他們沒有看到什麼新現象。其實，原因就在於α源太弱，也還可能在實驗安排上有不盡妥善之處，韋伯斯特沒有發現中子的存在，畢業之後，就離開了卡文迪許實驗室。
在巴黎，約裏奧?居裏夫婦也正在進行類似的實驗，波特的結果發表後不久，很快就得到了證實。居裏夫婦用的放射源特別強，他們用這樣強的α放射源重複波特和貝克爾的實驗，發現鈹中性輻射的穿透力超過他們原先的估計。他們為了進一步檢驗輻射的性質，他們將石蠟放在鈹和遊離室之間，出乎意料之外，發現計數激增，而且用磁場可以使石蠟送出的輻射產生微小偏轉。經過研究，他們斷定石蠟發出的射線是質子流，而且是一種速度很高的質子流。然而，約裏奧?居裏夫婦和波特一樣，誤把鈹輻射看成是γ射線。囿於傳統觀念，他們未能憑自己的實驗結果得出中子存在的結論，結果錯過了發現中子的良機，隻能給別人以啟發。
波特和約裏奧?居裏已經遇到了中子，遺憾的是他們沒有作出正確的解釋。其實，他們都沒有注意到盧瑟福關於原子中可能存在“中性粒子”的假說，由於缺乏這種思想準備，致使在實驗中探測到中子，卻不能認識它，因而失去了發現中子的優先權。然而，他們的卓越實驗卻為中子的發現邁出了真正的一步。
查德威克和中子
當查德威克從法國物理雜誌《科學報告》中讀到約裏奧?居裏夫婦所發表的文章時，他立即抓住了要害，他把約裏奧?居裏夫婦的看法告訴了盧瑟福，盧瑟福當即回答到：“我不相信！”他和查德威克都不相信γ射線能有這樣大的能量能夠把氫原子（即質子）撞擊出來，他倆一致認為，這種中性輻射很可能就是中子。
查德威克認為居裏夫婦對中性輻射的解釋存在著兩個嚴重的困難。第一，他們在實驗中觀察到的質子散射的頻率比用計算電子散射公式計算出的結果大出了數千倍。這說明，被轟擊出來的物質的能量遠遠大於常用的γ射線所具有的能量。第二，從鈹核與一個動能為5×１０６電子伏特的α粒子的相互作用中，很難甚至是不可能產生一個50×１０６電子伏特的粒子，而實驗事實卻是如此，所以，這樣一個解釋工作非常困難。
接著，查德威克在盧瑟福的指點下，滿腔熱情地重複了約裏奧?居裏夫婦的工作。他要徹底搞清楚這種特殊輻射的性質。查德威克將鈹射線射向除石蠟之外的各種其他材料。他很快就發現，當鈹射線與氫之外的其他原子核碰撞時，也會產生反衝，但反衝速度卻比氫小很多。這個反衝速度和反衝原子核的原子量有關，它隨著原子量的增大而減小。這個實驗結果非常喜人，因為，這正好是如果鈹輻射不是電磁輻射而是一種質量接近質子的粒子所應預期的圖像。這就使得查德威克越發他相信鈹射線不是那種電磁輻射所產生的一般的γ射線。但是，遺憾的是，查德威克從準確的實驗數據中隻得出了射線的質量接近於質子的質量這一結論。於是，進一步的實驗還是不可缺少的。鈹輻射的性質是用真空管計數器的方法來檢驗的。真空管就是電子管，真空計數器就是一個電子探測器——在這裏就是與電子放大器連接的電離室，簡單地說，它是由一個連接到電子管放大器上的小電離室構成的。當一個電離粒子進入電離室後，就會使室內突然產生離子，這種產生大量離子的電離現象可以由連接在放大器輸出電路上的示波器探測出來。示波器的偏轉情況用照相方法記錄在印相紙上。
釙源是用鐳的溶液沉澱在一塊銀圓盤上製備成的，盤的直徑為1厘米，放在直徑為2厘米的純鈹圓盤近旁，然後一起密封起來，放入一個能被抽成真空的小容器中。查德威克使用的第一個電離室有一個13厘米的開口，上邊覆蓋一塊具有一定阻止本領的鋁箔，深度為15厘米。當把源容器放在電離室前麵時，從示波器上可以探測到，偏轉粒子數立即增加。當鈹與計數器距離為3厘米時，偏轉數接近每分鍾4次。查德威克把厚金屬片——甚至厚達2厘米的鉛插入源容器和計數器之間時，示波器上的偏轉數仍然明顯地保持原水平，不見任何減少。這些偏轉顯然是由鈹發射的穿透性輻射所造成的。當查德威克將厚鉛片去掉而將一片大約2毫米厚的石蠟插在計數器前麵的輻射通路上時，示波器上記錄的偏轉數出現了明顯的增加。
這一增加是由於從石蠟中被打出的粒子進入了計數器造成的。
接著又對其他元素暴露在鈹輻射下的效應進行了一係列的研究。每種元素被鈹輻射後的射線轟擊時，計數器觀測到的偏轉數都是增加的。接著，查德威克在費則博士的合作下，用膨脹室的方法對氮反衝原子進行了檢驗。這次，源容器直接放在一台清水膨脹室上方，以使大部分鈾輻射穿過膨脹室。這種類型的雲室是以突然減低壓強的方法使氣體冷卻，從而造成蒸氣在離子上凝結的原理進行工作的。他們在幾小時的過程中觀察到了大量的反衝徑跡。它們在室中的目測射程有時達到56毫米，對膨脹進行校正後相當於標準空氣中的3毫米左右。這些目測估計值是費則從用一台大型自動膨脹室在一係列初步實驗中拍得的氮反衝徑跡照片中得到的。現在，不同速度的氮的反衝原子的射程已經測量出來，分析這些實驗結果，查德威克發現由鈹輻射產生的氮的反衝原子至少應具有每鈔4000千米的速度（射程越大，反衝原子的速度就越大），相當於大約12萬電子伏特的能量。如果我們用量子的碰撞來解釋反衝原子，要使碰撞後的反衝原子具有這麼大的能量，就必須假定量子的能量約九百萬電子伏特左右，這和能量守恒定律完全不符合。而量子碰撞過程中能量是守恒的，這是已經證明的事實。
總之，查德威克在大量重複實驗過程中證明了鈹輻射具有以下特點：第一，此輻射具有巨大的穿透本領，它們的巨大穿透力就意味著它們必然是電中性的（因為荷電粒子會受到原子內電場的偏轉，這就是電中性的γ射線之所以比α或β射線穿透力強得多的原因）。這種輻射的速度僅為光速的十分之一，所以它屬於γ射線。第二，如果這種輻射是γ射線，計算出γ射線的能量比約裏奧?居裏夫婦算得的還要大得出奇，並且當碰撞原子的質量增加時，還必須假想這種γ射線的能量越來越大，這與能量守恒原理和動量守恒原理都不相符合，決不可能使能量值與引起輻射的能量一致。這充分說明鈹輻射不是γ射線。第三，任何能從原子核中打出質子的輻射，必須是由一些本身就應該相當於質子那麼重的粒子所構成，所以這種粒子一定是一種迄今未發現的新粒子。
經過實驗的觀察，再加之大量的理論分析，至此，查德威克把直觀認識、邏輯思維和實驗研究結合起來，他大膽地提出這種鈹輻射就是盧瑟福曾經預言而他自己尋覓已久的“中子”。
他認為鈹輻射是由鈹發出的，由質量與質子幾乎相等而不帶電荷的中性粒子，即中子組成的，他發現實驗得出的結果和理論計算完全一致，其他物質的輻射也存在同樣的情況。鑒於這些事實，中子的存在是毫無疑問了。就這樣在約裏奧?居裏夫婦的文章發表後不到一個月，即1932年2月17日，查德威克宣布發現了“中子”。
對查德威克來說，就像盧瑟福說的一樣，中子隻不過是一個質子和一個電子的合成體，而不是以其名稱存在的一種基本粒子。但查德威克並沒有推測中子在原子核結構中的作用。中子發現後，人們紛紛來討論它，中子在原子核的結構中起什麼作用？它真的是一個質子和電子的合成體嗎？德國物理學家、量子力學的著名先驅者之一沃納?海森堡在1932年提出了一個新的理論，原子核由質子和中子組成，靠質子和中子間相互交換電子而保持在一塊。也就是說，一個中子放出它的電子，變成一個質子，隨後該電子被另一個質子獲得，就又成為一個中子。在這裏，海森堡仍然認為中子是一個質子和一個電子的合成體，因此實際上他仍把原子核看成是由質子和電子構成的。對於原子核的這種看法其實早已經是自相矛盾的了。原子核是由電子和質子組成的核的電子假說已經存在著許許多多的漏洞，用這種核的電子假說來解釋當時的核物理所涉及的問題都得出矛盾的結果。為了解決這些矛盾，科學家們進行了極其艱苦的努力。最後一致認為，解決的辦法就是假設中子是一種基本粒子，是和電子和質子一樣的基本粒子。如果假設原子核是由質子和中子構成的，那麼，由於中子質量與質子大致相同（這是實驗已經驗證的了），那麼原子量就必然等於中子和質子的總數，而原子序數正好等於質子數，因為質子是原子核中僅有的帶電粒子。他就是說，質子數和中子數分別由下列規則給出：原子序數等於質子數，中子數等於原子量減去原子序數。於是兩者的和就是原子量。這個規則正是我們今天所使用的規則。
但是，任何一種假設都必須被實驗所證實才能被人們所接受。1934年8月，查德威克通過用γ射線將氫（Ｈ2，即氘）原子核破碎成一個質子和中子，並對中子的質量進行了精確的測量，結果發現中子的質量不僅大於質子，而且大於質子、電子的質量之和，這就大大地動搖了查德威克的中子是質子和電子的複合粒子的觀念。而後，判定中子是基本粒子的實驗1936年在美國進行，在這個實驗中，默爾圖夫與海登伯格通過仔細的觀測得出了核力與電荷無關的結論：核力對質子和中子的作用猶如質子和中子是孿生兄弟一樣。人們在實驗中證明了電子在被發射之前並不存在於原子核中，這與肥皂泡被吹出之前不存在於吹管中完全一樣。從此以後，人們就再也不可能猜想中子不是基本粒子了。原子核是由中子和質子組成的，這解決了核的電子假說所麵臨的一係列困難，徹底否認了中子是複合粒子，普遍承認中子是一種基本粒子。
中子的發現是核物理發展史上的一個重大轉折點。由於這項具有劃時代意義的發現，1932年英國皇家學會授予查德威克休斯獎章，隨後他又榮獲1935年度的諾貝爾物理學獎。