在早期的放射性研究中，卢瑟福已经发现放射性物质所发出的射线实际上属于不同的几种。他把带正电的命名为α射线，把带负电的命名为β射线，把那些不受磁场影响的电磁波称为γ射线。1910年，卢瑟福用α粒子轰击原子，发现了原子核的存在，从而建立了原子的有核模型。
如果原子有核，那么原子核是由什么构成的呢？由于原子表现出电中性，它一定是带正电的，其带电量应与核外电子所带负电量一样。1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子。后来知道，它实际上就是氢的原子核。卢瑟福推测，这个带正电的阳离子就是人们从前发现的与阴极射线相对的阳极射线。它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位。卢瑟福将之命名为质子。
1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，结果发现有质子从氮原子核中被打出，而氮原子变成了氧原子。这可能是有史以来人类第一次真正将一种元素变成另一种元素，几千年来炼金术士的梦想第一次成为现实。但是，这种元素的嬗变暂时还没有实用价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中。到了1924年，卢瑟福已经从许多种轻元素的原子核中打出了质子，进一步证实了质子的存在。
发现了电子和质子之后，人们一开始猜测原子核由电子和质子组成，因为α粒子和β粒子都是从原子核里放射出来的。但卢瑟福的学生莫塞莱注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大，这说明，如果原子核光由质子和电子组成，它的质量将是不够的，因为电子的质量相比起来可以忽略不计。基于此，卢瑟福早在1920年就猜测可能还存在一种电中性的粒子。
按照这种思路，卢瑟福的另一位学生查德威克在卡文迪许实验室里加紧寻找这种电中性粒子。他一直在设计一种加速办法使质子获得高能，从而撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据。1929年，他准备对铍原子进行轰击，因为它在α粒子的撞击下不发射质子，有可能分裂成两个α粒子和一个中子。
与此同时，德国物理学家波特及其学生贝克尔已经先走一步，从1928年开始，他们就在做对铍原子核的轰击实验，结果发现，当用α粒子轰击它时，它能发射出穿透力极强的射线。由于该射线呈电中性，所以他们断定这是一种特殊的γ射线。在法国，居里夫人的女婿和女儿约里奥-居里夫妇也正在做类似的实验。波特的结果一发表，就被他们进一步证实了，但他们也误认为新射线是一种γ射线。
这一年是1932年。见到德国和法国同行的实验结果后，查德威克意识到这种新射线很可能就是自己多年来苦苦寻找的中子。他立即着手实验，花了不到一个月的时间，就发表了《中子可能存在》的论文。他指出，γ射线没有质量，根本就不可能将质子从原子核里撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可能。此外，查德威克还用云室方法测量了中子的质量，确证了中子确实是电中性的。中子就这样被发现了。约里奥-居里后来谈到，如果他们去听了卢瑟福1932年在法国发表的那次演讲，就不会坐失做出这一重大发现的良机，因为卢瑟福那次正好讲到关于中子存在的猜想。查德威克由于发现中子而获1935年的诺贝尔物理学奖。
