中子的假说伟大的实验物理学家卢瑟福在大量的实验基础上，预言性地推断了几种原子核的结构模型。有关原子核中存在中性粒子的第一个假说是他于1920年6月3日在英国皇家学会举行的贝克里安讲座的著名报告中，以丰富的想像力提出的，他说：“在某些情况下，也许由一个电子与质子更加紧密地结合在一起，组成一个中性复合粒，要解释重元素的组成，这种单独的中性粒子的存在看来几乎是必要的。”这就是他的新原子核模型之一——“中子”，它的原子量为1，电荷为零，他仍然将这种“中子”描绘成一个质子和电子的合成体。当时任何人都完全不清楚，为什么一个原子中有些电子会被束缚在原子核内，而其他电子却在核外大得多的轨道上旋转。
同年的圣诞节，卢瑟福在给少年儿童讲科普知识时，再次说：既然原子中有带负电的电子，有带正电的质子，为什么不能有不带电的中性粒子呢？当时人们认为卢瑟福提出的假说很有道理，并把他所提到了“中性粒子”称为“中子”。当时，卢瑟福的学生和同事们深信他的预言是科学的预言，于是便开始了一场轰轰烈烈的寻找中子的实验。1921年卡文迪许实验室的两名研究人员格拉森和罗伯兹做了一系列的实验，希望能在氢放电管中探测这种中性粒子的生成，但都没有获得成功。1923年，查德威克用盖革发明的点计数器进行实验也没有效果。1924年，查德威克认为用20万伏电压来加速质子，将这种高速的质子打入原子，也许能找到一些证据，于是他带领实验室的其他研究员，开始筹备实验，他们东拼西凑，遗憾的是，无论怎样，他们也没有力量建成这样大规模的高电压装置，只能用忒斯拉线圈产生高压，而这样得到的质子速度远不能满足需要。就这样，查德威克等人又采用不同的方法激励放电管，用放射性物质的衰变，用α粒子产生的人工裂变，但是依旧没能找到通向新领域的突破点。
错失良机1929年，卢瑟福和查德威克撰文讨论了寻找中子的可能方案。他们对元素铍特别感兴趣，因为铍在α粒子的轰击下是不发射质子的，他们根据铍矿往往含有大量氦的事实，猜测铍核在辐射的作用下，也许会分裂成为两个α粒子和一个中子。
正当查德威克准备好了铍源和实验用的放大线路时，德国人波特比他们更早地发表了用钋α射线轰击铍的实验结果。波特是盖革的合作者，他曾帮助盖革改进计数器，并有效地用之于探测微观粒子。1928年起，波特和他的学生贝克尔利用钋源发射的α粒子轰击一系列轻元素，在众多的轰击对象中，发现有一种元素有特殊的性能，这种元素就是铍。他们用钋源的α粒子轰击铍靶，原想打出质子，但未发现质子，却发现一种穿透力很强的中性辐射，它能穿过铅板，被计数管记录下来，他们断言这是γ射线，他们不仅用吸收法，而且用符合法测量了这一中性辐射的能量，它的能量要比用来轰击的α粒子所带的能量还大，比当时所知道的任何元素放出的γ射线的能量都要高。他们的测量历时两年，多次反复地进行实验，实验结果完全相同。1930年，他们发表了这一实验结果。
现在我们知道，虽然利用α粒子轰击铍是一个产生中子的反应，但是由于受到实验条件的限制，当时他们所用的计数管对中子无反应，而且α源很弱，因而他们错过了观测中子的机会。
查德威克对波特等人的研究结果感到很意外，就让他的实习学生，一个叫韦伯斯特的澳大利亚人去进行研究，在实验中他们得出了这种中性辐射的许多奇特性质。查德威克认为，这些性质使他很感兴趣，他想这种辐射就是中子，这是坚定不移的事实。于是他叫韦伯斯特换用云室来进行观察，结果他们没有看到什么新现象。其实，原因就在于α源太弱，也还可能在实验安排上有不尽妥善之处，韦伯斯特没有发现中子的存在，毕业之后，就离开了卡文迪许实验室。
在巴黎，约里奥·居里夫妇也正在进行类似的实验，波特的结果发表后不久，很快就得到了证实。居里夫妇用的放射源特别强，他们用这样强的α放射源重复波特和贝克尔的实验，发现铍中性辐射的穿透力超过他们原先的估计。他们为了进一步检验辐射的性质，他们将石蜡放在铍和游离室之间，出乎意料之外，发现计数激增，而且用磁场可以使石蜡送出的辐射产生微小偏转。经过研究，他们断定石蜡发出的射线是质子流，而且是一种速度很高的质子流。然而，约里奥·居里夫妇和波特一样，误把铍辐射看成是γ射线。囿于传统观念，他们未能凭自己的实验结果得出中子存在的结论，结果错过了发现中子的良机，只能给别人以启发。
波特和约里奥·居里已经遇到了中子，遗憾的是他们没有作出正确的解释。其实，他们都没有注意到卢瑟福关于原子中可能存在“中性粒子”的假说，由于缺乏这种思想准备，致使在实验中探测到中子，却不能认识它，因而失去了发现中子的优先权。然而，他们的卓越实验却为中子的发现迈出了真正的一步。
查德威克和中子当查德威克从法国物理杂志《科学报告》中读到约里奥·居里夫妇所发表的文章时，他立即抓住了要害，他把约里奥·居里夫妇的看法告诉了卢瑟福，卢瑟福当即回答到：“我不相信！”他和查德威克都不相信γ射线能有这样大的能量能够把氢原子（即质子）撞击出来，他俩一致认为，这种中性辐射很可能就是中子。
查德威克认为居里夫妇对中性辐射的解释存在着两个严重的困难。第一，他们在实验中观察到的质子散射的频率比用计算电子散射公式计算出的结果大出了数千倍。这说明，被轰击出来的物质的能量远远大于常用的γ射线所具有的能量。第二，从铍核与一个动能为5×106电子伏特的α粒子的相互作用中，很难甚至是不可能产生一个50×106电子伏特的粒子，而实验事实却是如此，所以，这样一个解释工作非常困难。
接着，查德威克在卢瑟福的指点下，满腔热情地重复了约里奥·居里夫妇的工作。他要彻底搞清楚这种特殊辐射的性质。查德威克将铍射线射向除石蜡之外的各种其他材料。他很快就发现，当铍射线与氢之外的其他原子核碰撞时，也会产生反冲，但反冲速度却比氢小很多。这个反冲速度和反冲原子核的原子量有关，它随着原子量的增大而减小。这个实验结果非常喜人，因为，这正好是如果铍辐射不是电磁辐射而是一种质量接近质子的粒子所应预期的图像。这就使得查德威克越发他相信铍射线不是那种电磁辐射所产生的一般的γ射线。但是，遗憾的是，查德威克从准确的实验数据中只得出了射线的质量接近于质子的质量这一结论。于是，进一步的实验还是不可缺少的。铍辐射的性质是用真空管计数器的方法来检验的。真空管就是电子管，真空计数器就是一个电子探测器——在这里就是与电子放大器连接的电离室，简单地说，它是由一个连接到电子管放大器上的小电离室构成的。当一个电离粒子进入电离室后，就会使室内突然产生离子，这种产生大量离子的电离现象可以由连接在放大器输出电路上的示波器探测出来。示波器的偏转情况用照相方法记录在印相纸上。
钋源是用镭的溶液沉淀在一块银圆盘上制备成的，盘的直径为1厘米，放在直径为2厘米的纯铍圆盘近旁，然后一起密封起来，放入一个能被抽成真空的小容器中。查德威克使用的第一个电离室有一个1.3厘米的开口，上边覆盖一块具有一定阻止本领的铝箔，深度为1.5厘米。当把源容器放在电离室前面时，从示波器上可以探测到，偏转粒子数立即增加。当铍与计数器距离为3厘米时，偏转数接近每分钟4次。查德威克把厚金属片——甚至厚达2厘米的铅插入源容器和计数器之间时，示波器上的偏转数仍然明显地保持原水平，不见任何减少。这些偏转显然是由铍发射的穿透性辐射所造成的。当查德威克将厚铅片去掉而将一片大约2毫米厚的石蜡插在计数器前面的辐射通路上时，示波器上记录的偏转数出现了明显的增加。
这一增加是由于从石蜡中被打出的粒子进入了计数器造成的。
接着又对其他元素暴露在铍辐射下的效应进行了一系列的研究。每种元素被铍辐射后的射线轰击时，计数器观测到的偏转数都是增加的。接着，查德威克在费则博士的合作下，用膨胀室的方法对氮反冲原子进行了检验。这次，源容器直接放在一台清水膨胀室上方，以使大部分铀辐射穿过膨胀室。这种类型的云室是以突然减低压强的方法使气体冷却，从而造成蒸气在离子上凝结的原理进行工作的。他们在几小时的过程中观察到了大量的反冲径迹。它们在室中的目测射程有时达到5.6毫米，对膨胀进行校正后相当于标准空气中的3毫米左右。这些目测估计值是费则从用一台大型自动膨胀室在一系列初步实验中拍得的氮反冲径迹照片中得到的。现在，不同速度的氮的反冲原子的射程已经测量出来，分析这些实验结果，查德威克发现由铍辐射产生的氮的反冲原子至少应具有每钞4000千米的速度（射程越大，反冲原子的速度就越大），相当于大约12万电子伏特的能量。如果我们用量子的碰撞来解释反冲原子，要使碰撞后的反冲原子具有这么大的能量，就必须假定量子的能量约九百万电子伏特左右，这和能量守恒定律完全不符合。而量子碰撞过程中能量是守恒的，这是已经证明的事实。
总之，查德威克在大量重复实验过程中证明了铍辐射具有以下特点：第一，此辐射具有巨大的穿透本领，它们的巨大穿透力就意味着它们必然是电中性的（因为荷电粒子会受到原子内电场的偏转，这就是电中性的γ射线之所以比α或β射线穿透力强得多的原因）。这种辐射的速度仅为光速的十分之一，所以它属于γ射线。第二，如果这种辐射是γ射线，计算出γ射线的能量比约里奥·居里夫妇算得的还要大得出奇，并且当碰撞原子的质量增加时，还必须假想这种γ射线的能量越来越大，这与能量守恒原理和动量守恒原理都不相符合，决不可能使能量值与引起辐射的能量一致。这充分说明铍辐射不是γ射线。第三，任何能从原子核中打出质子的辐射，必须是由一些本身就应该相当于质子那么重的粒子所构成，所以这种粒子一定是一种迄今未发现的新粒子。
经过实验的观察，再加之大量的理论分析，至此，查德威克把直观认识、逻辑思维和实验研究结合起来，他大胆地提出这种铍辐射就是卢瑟福曾经预言而他自己寻觅已久的“中子”。
他认为铍辐射是由铍发出的，由质量与质子几乎相等而不带电荷的中性粒子，即中子组成的，他发现实验得出的结果和理论计算完全一致，其他物质的辐射也存在同样的情况。鉴于这些事实，中子的存在是毫无疑问了。就这样在约里奥·居里夫妇的文章发表后不到一个月，即1932年2月17日，查德威克宣布发现了“中子”。
对查德威克来说，就像卢瑟福说的一样，中子只不过是一个质子和一个电子的合成体，而不是以其名称存在的一种基本粒子。但查德威克并没有推测中子在原子核结构中的作用。中子发现后，人们纷纷来讨论它，中子在原子核的结构中起什么作用？它真的是一个质子和电子的合成体吗？德国物理学家、量子力学的著名先驱者之一沃纳·海森堡在1932年提出了一个新的理论，原子核由质子和中子组成，靠质子和中子间相互交换电子而保持在一块。也就是说，一个中子放出它的电子，变成一个质子，随后该电子被另一个质子获得，就又成为一个中子。在这里，海森堡仍然认为中子是一个质子和一个电子的合成体，因此实际上他仍把原子核看成是由质子和电子构成的。对于原子核的这种看法其实早已经是自相矛盾的了。原子核是由电子和质子组成的核的电子假说已经存在着许许多多的漏洞，用这种核的电子假说来解释当时的核物理所涉及的问题都得出矛盾的结果。为了解决这些矛盾，科学家们进行了极其艰苦的努力。最后一致认为，解决的办法就是假设中子是一种基本粒子，是和电子和质子一样的基本粒子。如果假设原子核是由质子和中子构成的，那么，由于中子质量与质子大致相同（这是实验已经验证的了），那么原子量就必然等于中子和质子的总数，而原子序数正好等于质子数，因为质子是原子核中仅有的带电粒子。他就是说，质子数和中子数分别由下列规则给出：原子序数等于质子数，中子数等于原子量减去原子序数。于是两者的和就是原子量。这个规则正是我们今天所使用的规则。
但是，任何一种假设都必须被实验所证实才能被人们所接受。1934年8月，查德威克通过用γ射线将氢（H2，即氘）原子核破碎成一个质子和中子，并对中子的质量进行了精确的测量，结果发现中子的质量不仅大于质子，而且大于质子、电子的质量之和，这就大大地动摇了查德威克的中子是质子和电子的复合粒子的观念。而后，判定中子是基本粒子的实验1936年在美国进行，在这个实验中，默尔图夫与海登伯格通过仔细的观测得出了核力与电荷无关的结论：核力对质子和中子的作用犹如质子和中子是孪生兄弟一样。人们在实验中证明了电子在被发射之前并不存在于原子核中，这与肥皂泡被吹出之前不存在于吹管中完全一样。从此以后，人们就再也不可能猜想中子不是基本粒子了。原子核是由中子和质子组成的，这解决了核的电子假说所面临的一系列困难，彻底否认了中子是复合粒子，普遍承认中子是一种基本粒子。
中子的发现是核物理发展史上的一个重大转折点。由于这项具有划时代意义的发现，1932年英国皇家学会授予查德威克休斯奖章，随后他又荣获1935年度的诺贝尔物理学奖。