เมื่อแรกที่ค้นพบนิวเคลียส ทำให้ภาพของอะตอมปรากฏขึ้นมาว่า ประกอบด้วยนิวเคลียสประจุบวกที่เป็นมวลเกือบทั้งหมด ของอะตอม ที่โคจรโดยรอบด้วยอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งที่ให้ประจุพอดีหักล้างกับประจุบวกของนิวเคลียส และทำให้ประจุของ อะตอมเป็นกลาง ทว่าในเวลาต่อมา การตรวจวัดมวลของอะตอมชี้ว่า ยกเว้นก็แต่อะตอมไฮโดรเจนเท่านั้นที่มีเลขมวล (mass number: A) เท่ากับเลขเชิงอะตอม (atomic number: Z) หรือาจเรียกว่าเลขประจุ โดยมีเลขมวลเท่ากับ 1 และเลขประจุ เท่ากับ +1 และอะตอมทุกชนิดนอกนั้นล้วนมีเลขมวลมากกว่าเลขประจุและเป็นเลขจำนวนเต็มทั้งสิ้น เช่น นิวเคลียสของ อะตอมฮีเลียมมีประจุเท่ากับ +2 แต่มีเลขมวลเท่ากับ 4 ดังนั้นจึงเชื่อได้ว่า นิวเคลียสของอะตอมคงต้องประกอบขึ้นด้วย อนุภาคหลายอย่างที่มีมวลเท่า ๆ กัน

อนุภาคองค์ประกอบของนิวเคลียสอย่างแรกก็คือ โปรตอน ที่มีประจุบวกและทำให้นิวเคลียสมีประจุบวกไปด้วย โดยการค้นพบ โปรตอนมีมาก่อนหน้านี้แล้ว จากการทำให้อะตอมไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่เบาที่สุดประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน อย่างละ 1 อนุภาค ให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนซึ่งทำให้อิเล็กตรอนถูกแยกออกไปคงเหลือไว้แต่โปรตอน

ดังนั้นการที่อะตอมอื่น ๆ มีเลขมวลมากกว่าเลขประจุ ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดเกิดความคิดว่า นิวเคลียสคงต้องประกอบขึ้นจาก โปรตอนกับ “ คู่เหมือนที่เป็นกลาง” (neutral doublet) ที่เกิดจากการรวมตัวกันของโปรตอนกับอิเล็กตรอนทำให้ไม่มีประจุ ุและมีมวลพอ ๆ กับโปรตอน (อิเล็กตรอนมีมวลน้อยกว่าโปรตอนเกือบ 2 พันเท่าตัว) แนวคิดนี้อธิบายได้ทั้งประจุและมวล ของอะตอม เช่น อธิบายว่านิวเคลียสของฮีเลียมประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาคจึงมีประจุเท่ากับ +2 กับอนุภาคคู่เหมือนท ี่เป็นกลางอีก 2 อนุภาคทำให้มีเลขมวลเท่ากับ 4

รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอความคิดนี้ไว้เมื่อ ค.ศ. 1920 และเรียก “ คู่เหมือนที่เป็นกลาง” นี้ว่า “ นิวตรอน” (neutron) แต่การค้นหา นิวตรอนทำได้ยากมากเนื่องจากมันไม่มีประจุจึงไม่เกิดการผลักในสนามไฟฟ้า ทำให้มีการทะลุทะลวงได้ดีกว่าโปรตอนเป็น อันมาก จึงตรวจพบได้ยาก รัทเทอร์ฟอร์ดมอบหมายหน้าที่การค้นหานิวตรอนให้กับผู้ช่วยของเขาคือแชดวิกนั่นเอง โดย เสนอแนะให้ทดลองโดยวิธีโน้นบ้างวิธีนี้บ้าง แชดวิกมีหน้าที่สำคัญประการหนึ่งคือ การติดตามความก้าวหน้าทางฟิสิกส์และ เก็บมาเล่าให้รัทเทอร์ฟอร์ดฟัง และนี่เป็นที่มาของแรงบันดาลใจในการค้นพบนิวตรอนของแชดวิก ซึ่งเป็นความก้าวหน้าที่มา จากยุโรป

ค.ศ. 1930 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันสองท่านชื่อว่าโบเทอ (Bothe) และเบคเคอร์ (Becker) ทำการทดลองระดมยิงโลหะ เบริลเลียมด้วยอนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากธาตุพอโลเนียม และสังเกตพบว่ามีรังสีที่มีการทะลุทะลวงสูงมาก ถูกปลดปล่อยออกมา เนื่องจากรังสีนี้ไม่มีประจ พวกเขาจึงเชื่อว่าเป็นรังสีแกมมา

แชดวิกนำเรื่องนี้มาเล่าให้รัทเทอรฟอร์ดฟังตามหน้าที่ของเขา แต่รัทเทอร์ฟอร์ดไม่เชื่อว่ารังสีแกมมาจะทำให้โปรตอนถูก ปล่อยออกมาจากพาราฟินได้ หลังจากปรึกษากันทั้งคู่เชื่อว่ารังสีที่เบริลเลียมปล่อยออกมาน่าจะเป็นนิวตรอนที่พวกเขากำลัง ค้นหาอยู่ เพราะว่านิวตรอนมีขนาดเท่า ๆ กับโปรตอน ทำให้เขี่ยโปรตอนกระเด็นออกมาจากพาราฟินได้อย่างง่ายดาย

รัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายว่านิวตรอนเป็นอนุภาคไม่มีประจุที่มีการทะลุทะลวงสูงและมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน ปัจจุบันเป็นที่ ทราบกันแล้วว่านิวตรอนไม่ได้เกิดจากการรวมตัวกันของโปรตอนกับอิเล็กตรอน เพราะตามหลักกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว อิเล็กตรอนกับโปรตอนไม่สามารถเข้ามาใกล้กันจนรวมกันได้ และนอกจากนี้การวัดนิวเคลียร์สปิน ของนิวตรอนได้เป็นเลขคู่ ก็ชี้ว่านิวตรอนไม่ได้มีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบซึ่งสปินต้องเป็นเลขคี่ กล่าวคือ นิวเคลียร์สปินก็คือการที่อนุภาคมีการหมุน รอบตัวเองแบบเดียวกับที่โลกหมุนรอบตัวเองตามเข็มหรือทวนเข็มนาฬิกาก็ได้ เรียกว่ามี โมเมนตัมเชิงมุม เมื่อคิดว่านิวตรอน เกิดจากการรวมตัวกันของโปรตอนกับอิเล็กตรอน ก็เอาโมเมนตัมเชิงมุมมารวมกันหรือหักล้างกันก็ตาม ซึ่งจะต้องได้ผลลัพธ์ ์เป็นเลขคี่เท่านั้น

จากผลงานนี้ทำให้แชดวิกได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อ ค.ศ. 1935 ซึ่งเป็นที่น่าสนใจว่าการที่อีแรนและเฟรเดริก โชลีโย กูรีตีความผิดพลาดว่านิวตรอนเป็นรังสีแกมมา ทำให้พวกเขาถึงกับพลาดรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ไป แต่ก็ไม่ต้องเสียดายแทน คนเก่งอย่างสามีภรรยาคู่นี้ เพราะปีเดียวกันนั้นเอง พวกเขาก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากการค้นพบปรากฏการณ์ กัมมันตภาพรังสีประดิษฐ์ (artificial radioactivity) หรือเรียกว่าเป็นการสังเคราะห์สารกัมมันตรังสีได้สำเร็จ โดยการระดมยิง ธาตุเบา เช่น อะลูมิเนียม แมกนีเซียม และโบรอนด้วยอนุภาคแอลฟา (⁴He ) และก็ทำให้ ธาตุเสถียรอย่างอะลูมิเนียม-27 (²⁷Al ) แปรธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสีฟอสฟอรัส-30 (³⁰P) ได้สำเร็จเป็นครั้งแรก

²⁷Al + ⁴He -> ³⁰P + neutron

³⁰P -> ³⁰Si + positron + (neutrino)