进入大学的查德威克，迅即由于基础知识的扎实而在物理研究方面崭露超群才华。他被著名科学家卢瑟福看中，毕业后留在曼彻斯特大学物理实验室，在卢瑟福指导下从事放射性研究。两年后，由于他的“α射线穿过金属箔时发生偏离”的成功实现，获英国国家奖学金。
中子的发现要追溯到德国和法国物理学家们的研究工作。1930年，德国物理学家博特和贝克尔利用钋发射的α粒子去轰击铍、硼和其他轻元素时，他们用尖端式盖革计数管（一种对γ即伽马射线灵敏的探测器）探测到了有一种穿透力异常大的射线发生。法国物理学家约里奥·居里夫妇，利用一个强得多的钋源进一步研究了受到α粒子射击后的铍的辐射现像。他们把铍发射出来的射线解释为“γ射线”，把从含氢物质中打出的质子解释成“γ射线”在氢核上的“散射”。由于他们没有足够地重视理论，这就使他们错过了完成一项重大发现的机会。他们误认为是“γ射线”的，正是人们长期寻找的中子流，并不是γ射线。他们走到了“中子”的门口，而没有发现它。
1932年，在海峡对岸的查德威克，对此进行了反复实验，每次他都得到了相同的结果。他进一步察觉这些射线像γ射线和X射线一样不会被磁场偏折，可见是中性的。然而，这种射线的运动速度却与之大不相同，只为光速的1/10，比起几乎以光速前进的γ射线来说，简直太慢了。
查德威克继续研究这些射线，发现当这种射线被笔直地引向氮气时，偶尔会有个别以极大的力量打进氮原子。如果是γ射线，则没有这种现像发生。查德威克对这种新射线进行了多次试验和能量测定，发现在不同情况下，新射线的能量也不同。他想，这种新射线显然与γ射线不相同，它是由粒子组成的。为了确定粒子的大小，他用这种粒子轰击硼，并从新产生的原子核所增加的质量来计算加到硼中去的这种粒子的质量，结果算出新粒子的质量与质子大致相等。查德威克在卢瑟福的领导下，长期从事寻找中子的研究，理论思维帮助了他从现像中抓到本质，终于悟出：这种新射线正是长期寻找的中子流。这样，他惊人地发现了人们预言的中子。
这是科学预言的又一个胜利。至此，人们在探索原子秘密的道路上，又前进了一大步。所以，中子的发现被誉为原子科学发展的第二个重大发现。（第一个重大发现是放射性现像的发现）
在中子发现的启示下，前苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中子组成的模型（质子和中子统称为核子），使长期存在的原子核结构问题得到了初步解决。
因此新闻界曾不止一次地为卢瑟福及其助手们在进行的原子转变工作欢呼、喝彩，称他们为现代可以点铁成金的“炼金术士”。他们经常提出这样的问题——可不可以说，现代炼金术士所做的工作要比古代的炼金术士所曾梦寐以求的理想更为神奇、美妙呢？是否真能很快地“制造”出金子来呢？
卢瑟福为此发表了公开声明，严正地驳斥了这种过于天真的臆测：“把一种金属变为另一种金属并不是不可能的。不过，至少在相当长的一段时间里，企图使之商品化的可能性是不存在的。”
不论在什么情况下，卢瑟福同科学界绝大多数学者一样，对自己所从事的科学工作的商业利益毫无兴趣，他们只对扩展知识领域有兴趣，他们的目的并不在于把廉价的金属转变为昂贵的金属，而是为了探索元素之间相互转变的可能性。
这是卢瑟福他们的局限性，是一种错误的观念。
更令人感到惋惜的是，卢瑟福对原子的研究虽然得到了那么突出的成果，但他对于原子能量的开发利用却抱着一种悲观的态度，1933年9月，他在不列颠协会的演说中声称：“通过这些方法，我们可能获得比目前提供的质子高得多的能量，但一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量。这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的。把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已……我们可能永远做不到这一点。”其实，通过原子核的变化取得能量不仅是可能的，而且由此取得的原子能非常巨大，应用非常广泛。
这是卢瑟福在他一帆风顺的科学生涯中走错了几乎是唯一的一步。这次会上，与会者中的大多数人感到他对将来利用原子能的可能性，未免过于悲观了。
不仅卢瑟福在认识上有错误，当时对于原子核内蕴藏的能量能否实际应用，开始并没有引起普遍注意。甚至到了1938年哈恩发现铀核裂变时，核物理学家玻尔也还认为，核裂变反应的实际应用是不可能的。连哈恩自己，当他同几个要好的同事辩论他的发明的实用性问题时，对核能的应用还大叫：“无疑，这是违反上帝意志的！”
其实，科学家们不仅实现了古代炼金术士的梦想，他们用原子核轰击产生的新元素比金子更宝贵、更有价值。1942年，当科学家们在历史上首次实现了核裂变的自持链式反应，并控制住它的时候，表明原子能不仅可以为人类所利用，而且力量惊人。
（第五节 ）哈恩和铀裂变的发现
哈恩于1879年3月8日出生在德国的法兰克福，本来是学有机化学的。1904年9月，他自费到英国，被介绍到英国化学家、剑桥大学的拉姆赛的实验室工作。当时，拉姆赛由于受索迪影响．对放射性问题发生了兴趣，正需要一个放射化学方面的蹦手，于是他让哈恩承担这方面的工作。他指示哈恩从一种含镭的矿物中分离镭。这是哈恩第一次从事放射性研究工作，但是，就在这项工作中，他竟出人意料地发现了放射性钍。
1905—l906年间，他在卢瑟福领导下又发现了锕系中的放射性锕。回到柏林后，他发现了新钍，并成功地把放射性反冲法用于分离放射性产物。
从1907年起，他和迈特纳一起从事放射性衰变的研究，从此开始了他们持续30年之久的合作。1912年，哈恩担任了新的威廉皇家科学促进协会在柏林达莱姆创办的化学研究所的一个实验室的负责人，不久成为这个研究所的所长，迈特纳为副所长。
第一次世界大战期间，他们分别在部队服役和服务，每逢假期，他们就回到研究所做放射性测试I作，并于战争结束之前的1917年发现了锕的最接近的母体镤。
哈恩还发现了铀X1的两个稀奇的分支铀X2和铀Z，这是核的一对同质异构体的最先例证。哈恩还在20世纪20年代初发明了用射气法研究物质表面变化和表面生成物的方法。
在费米公布发现“超铀元素”之后，哈恩和迈特纳也在研究用中子轰击铀的产物，并且也得到了类似的结果。
1938年9月，约里奥-居里夫妇与萨维奇合作，应用放射化学方法分析中子轰击铀的产物，发现其中有一种放射性元素，半衰期为3.5小时，其化学性质接近镧。如果按当时关于超铀元素的概念，这个产物的性质应接近锕。但是镧的原子序数只有57，而锕的原子序数却是89，原子量也相差甚远，这显然是一个矛盾。可惜约里奥-居里夫妇和萨维奇并没有抓住这个矛盾深追下去，就发表了实验结果。这项发现引起了哈恩的助手斯特拉斯曼的注意。他同哈恩使用了与约里奥-居里夫妇同样的方法，经过几个星期的实验，得到了几种放射性同位素，其中至少有3种其化学性质与钡相似。但是，钡的原子序数是56，处于元素周期表的中间位置，原子量也只稍大于铀原子量的一半。
最初，他们曾推测这是镭的同位素，但是如果从铀衰变为镭，原子序数减少4，铀就必须发射两个α粒子，可是他们无论怎样精心寻找，也没有发现α粒子的踪影。同时，他们也做了大量实验，希望把这种镭从钡中分离出来。在微量元素分析中，为使某种元素的化合物在溶液中沉淀，常加入少量同族元素化合物作为载体，带它一起沉淀。
哈恩和斯特拉斯曼就采用这种办法从钡中分离镭。但是，无论实验多么精密，结果都没有成功，放射性物质一律随各种钡盐一起沉淀。这表明，他们设想的镭具有钡的特性，钡和这种未知物质无法通过任何单纯的化学方法互相分离。从化学的角度看，哈恩和斯特拉斯曼能够做出的惟一结论就是那种无法从钡中分离出来的未知物质就是钡本身。
1938年12月22日，哈恩和斯特拉斯曼把实验报告寄给了德国《自然科学》杂志。在这篇题为《关于用中子照射铀时产生的碱土金属的取得及其性状的证明》的论文中，他们描述了自己的实验，并且写道：“作为化学家，说真的，我们应该根据刚刚进行了的实验重新命名上述图表，用Ba，La，Ce的符号来代表Ra，Ac，Th。作为在一定程度上接近于物理学的核化学家，我们还不能下定决心去做这种同核物理学的过去的整个经验相矛盾的跳跃。也许，在我们的实验结果中隐藏着一系列奇怪的偶然现象。”
由此可见，哈恩对这个结论一直是犹豫的，甚至在文章付邮后还想设法取回来。出于科学事业上的同心和信任，哈恩把他们的实验结果连同他的疑问写信告诉了迈特纳，以征求这位有敏锐批判眼光的同事的意见。
迈特纳是犹太血统的奥地利科学家。1938年3月，德军占领奥地利后，迈特纳的国籍已不能使她得到保护，尽管哈恩和普朗克在希特勒面前说情，也未能使迈特纳获准留在德国。
1938年7月，她经荷兰、丹麦，逃亡到瑞典，在斯德哥尔摩新成立的诺贝尔研究所工作。接到哈恩信的时候，正好迈特纳的侄子弗立施利用圣诞节休假来看望她。
弗立施是物理学家，早在1934年就流亡到国外，在哥本哈根尼尔斯·玻尔的研究所工作。他们对哈恩的实验结果和提出的疑难展开了热烈的讨论。根据重核的品性，类比了细胞分裂，并联想到玻尔不久前提出的液滴模型，从经典图像中受到启示，又通过反复计算，终于对铀核经中子轰击产生钡的现象提出了解释。
他们给英国《自然》杂志写了题为《中子引起的铀分裂∶新型核反应》的信。他们指出：“重核中的粒子，由于结合紧密，并且能量交换强烈，预料会以集体方式运动。这与液滴的运动有些相似，如果由于能量的增加而使运动足够强烈时，就可能分裂成两个较小的液滴。”
“因此，看来有这种可能性，铀核只有小的结构稳定性，因而在俘获中子后，它自身可能分成大致相等的两个核。以核的半径和电荷计算，这两个核将相互排斥，并获得200电子伏特的总动能。”“分裂之后……可能每一部分都会出现一系列蜕变。如果其中的一部分是钡的同位素，那另一部分就会是氟，它经过铷、锶、钇而衰变成锆。”
由上可见，他们对铀核分裂的物理图象、分裂机制、分裂产物等都给出了明确的分析，特别是估算出裂变时有大量能量释放，其数值比较准确，并同时得出了进行实验验证的方法。
弗立施回到哥本哈根，立即对他们的分析进行7实验验证。他不仅用铀，而且用钍进行实验，都得出了一致的结果，从而为他的分析给出了物理证据。1939年1月16日，弗立施将题为《在中子轰击下重核分裂的物理证据》的论文和他与迈特纳共同署名的信《中子引起的铀裂变∶新型核反应》一同寄给了英国的《自然》杂志，分别于2月18日和2月11日发表。
弗立施将哈恩的发现和迈特纳同他的解释告诉了玻尔。玻尔当时正要启程去美国参加理论物理讨论会，他听到这一消息十分激动，甚至在旅途的船舱里也一直在专心致志地研究，并与来自比利时的罗森菲尔德一起讨论、争辩和计算。当他抵达纽约时，已经确信迈特纳和弗立施的解释是正确的，并在理论物理讨论会之前的1月20日写好了一篇短文：《重核的分裂》，对分裂过程的力学机制提出评论，充分肯定了迈特纳给出的直接解释。
1939年1月26日，第五届国际理论物理讨论会在华盛顿大学召开，原来是以讨论低温问题为中心的。会议的第二天，哈恩在德国《自然科学》上发表的文章传到玻尔手中，于是玻尔立即在大会上宣布j发现原子核分裂和迈特纳与弗立施的解释。这一宣布使整个会议沸腾起来，关于核分裂问题的讨论立即取代了关于低温问题的讨论。费米建议立即用物理方法进行论证，有好几个物理学家立即给自己所在的实验室打电话，安排实验。
卡奈奇学院首当其冲，立即着手进行验证。当晚8时，玻尔、费米、罗森菲尔德等都汇集在卡奈奇学院观看了原子核裂变实验的表演。与此同时，哥伦比亚大学、霍普金斯大学等也都得到同样结果。核裂变的发现就这样在几个小时之后得到了世界公认，并通过《纽约时报》等报刊公之于众。科学家们一致认为，这一发现是“最近几年来最重要的实验之一”，人类从此进入了利用原子能的新纪元。