从20世纪初期到30年代，原子结构理论已基本建立。
人们已经知道，原子是由位于中心的原子核和围绕原子核旋转的电子构成的，而且原子核和电子以及电子之间存在以电磁场为媒介的电磁相互作用。日常物质的各种物理和化学性质，几乎都可以用这种原子结构和电磁相互作用来说明。当时，除了电磁相互作用的一个根本问题--发散困难还未解决之外，人们已完全掌握了关于原子结构的正确知识。原子的直径约是10-10米，而原子核的大小却只有10-15米。如果把原子比为一幢大厦，那么原子核只有一粒芝麻那么小。可是对天然放射性现象的研究却表明，当时已发现的3种射线--a射线、β射线和γ射线都是从原子核中放射出来的，这至少可以说明原子核本身并不是不可再分割的实体。放射现象的发现给人们提供了关于原子核内部的重要信息，也揭示出原子核是个复杂的复合物。
关于原子核结构的现象，有一个非常突出的特征，就是所放出的能量非常大，和基于电磁相互作用的原子现象相比较，可以大到上千倍甚至10万倍以上。从原子核中放出这么大的能量，这表明原子核内部的作用力非常强。因此，为了准确了解原子核的结构，就要用能量很大的粒子作“炮弹”，将原子核打碎，然后看它会变成什么。在当时的情况下，一种最好的办法就是利用天然放射性元素放射出的a粒子来作这种炮弹。
1917年，卢瑟福用这种方法首先实现了核的分裂。当时，他仍在曼彻斯特。一次，在出席战时研究委员会会议时他迟到了，他解释说：“我正在从事一些实验，它们暗示可以用人工方法分裂原子核。如果这是真的，它远远比战争重要得多！”当时卢瑟福和助手正在用火花闪烁法进行一项实验，他们将粒子向镀有硫化锌的屏上射去，每击中一下，就产生一个小小的火花，所以单个粒子碰到板上就可直接用眼睛看到，也能数出数目来。为了进行这种计数，卢瑟福和他的助手必须先在黑暗中静坐15分钟，使他们的眼睛感觉敏锐了，然后再静心地计数。有的实验人员在采用这种方法时，在中间放一个金属盘，使a粒子不能到达镀硫化锌的屏板，这样，也就不出现火花了。但是当把氢引入仪器中时，尽管有金属盘挡着，屏上仍然出现火花，不过，这些新的火花与a粒子所产生的火花在表现形式上有所不同。据推测，这些在屏上产生新火花的是高速质子。也就是说，这时a粒子常常会击中一个个氢原子核（质子），由于质子比较轻，它就会高速运动。a粒子被金属盘挡住了，但高速质子却能穿过金属盘，打到硫化锌的屏上。可是出乎意料的是，当卢瑟福用氮代替氢来作a粒子轰击的目标时，硫化锌屏上仍然会出现火花，而且完全像是质子产生的。卢瑟福想到用威耳逊云室来分析a粒子轰击氮核时发生的情况，结果，他发现a粒子所留下的径迹在终止处呈叉状。这说明它与一个氮核发生了碰撞，其中的一个叉比较细，这表明有一个质子飞射出去，另一个叉又短又粗，表明氮核的余留部分在碰撞后弹跳回来。但这里没有a粒子的踪迹。看来，它必定为氮核所吞并。这一点后来由布莱克特所证实。卢瑟福最早实现的人工核反应过程是氮核的分裂。在高速a粒子轰击下，氮的原子核转变为氧的原子核，同时放出一个质子。这样，卢瑟福不仅首次实现了元素的人工转变，而且还发现原子核中含有质子，这使人们对核结构的认识更进了一步。
既然质子是原子核的组成部分，又由于原子核的质量大体是质子质量的整数倍，所以，很快就有人提出原子核是由质子构成的。但是不久就发现这种想法站不住脚。如果原子核只是由质子构成的，原子核的电荷以质子电荷为单位时，应当正好是等于质量数。而实际上原子核的电荷大约只是质量数的一半或者更少一些。后来又想到人们早就发现的原子核能发射β射线（即电子），于是人们开始普遍认为原子核是由质子和电子构成的。1920年，根据当时已知的事实，卢瑟福在英国皇家学会的第二次贝克里安演讲中对许多新型的原子核作了猜测，但他想像它们全是由质子和电子构成的。为了解释原子核的质量数与电荷数不等的事实，他猜测在原子核中可能存在着与质子质量差不多但不带电荷的中性粒子（先取名为中子）。不过，这种中性粒子仍被认为是一个质子和一个电子的复合物。为什么原子内的电子有的被紧紧束缚在尺度为10-15米的很小的核内，而有的则在核外足够大的空间轨道上旋转？这个很容易就能想到的问题却历经多年难以解决。
自从卢瑟福提出可能存在一种中性粒子之后，许多人做过各种尝试，希望能从实验上证实中性粒子的存在。1921年，格拉逊和罗伯兹在卡文迪什实验室做过一些实验，希望能在带电粒子与氢相撞时产生这种粒子。但他们的结果是否定的。尽管如此，“可能存在一种中性粒子”的看法却始终存在着。
1930年，德国科学家博特和他的学生贝克发现，当用天然放射性发射的快速a粒子轰击铍时，从铍原子核中释放了一种新奇而神秘的辐射，这种辐射被称为铍辐射。铍辐射有极大的穿透本领，能穿透几厘米厚的铜板。他们把这种辐射解释为硬γ射线。为了估计这种射线的能量，他们设法测量了它的吸收系数。后来，又观察了锂和硼的情况，并得到一个结论，所观察到的γ射线具有的能量比入射的a粒子的能量还要大。
博特于1892年出生在柏林，是普朗克的学生。他是在柏林国家研究所盖革手下开始他的科学生涯的。在第一次世界大战期间，他曾被俄国人俘虏到西伯利亚。战争结束后，他重新回到柏林国家研究所。后来，他研制了电测计数法。他用一个电路来代替卢瑟福和盖革用眼睛来作闪烁计数的吃力方法，从而大大提高了效率。他还把两个或两个以上的计数器联合使用，制成符合计数器。这种符合计数器能够鉴别出在百万分之一秒内发生的核事例。这种符合计数器是在盖革计数管基础上发展起来的。博特所做的改进是，他同时使用两个（或两个以上）计数管，使得只有电离在两个（或几个）计数管中同时发生时，这两个（或几个）计数管才会计数。这种符合计数法被博特和他的合作者们--科尔霍斯脱、罗西等人应用到核物理、宇宙线和康普顿效应的研究等方面的许多问题上。
博特和贝克发现的新射线的穿透本领大大超过了放射性极强的γ射线，这引起了许多人的兴趣。在众多对新射线的研究者中，起了重要的积极作用的是两位法国科学家伊雷娜·居里和她的丈夫约里奥。
伊雷娜·居里是居里夫妇的女儿，她是由母亲玛丽精心抚养长大的（居里去世时她才9岁）。由于受到母亲的影响，她也在母亲的实验室中从事科学研究。约里奥是由朗之万推荐给他的老朋友居里夫人的，约里奥接受的首批任务之一是制备一个极强的钋源，而后是建立一个云室。具有卓越技术才能的约里奥出色地完成了这两项任务。1927年，他和伊雷娜结了婚。
在研究博特发现的穿透性极强的铍射线时，约里奥居里夫妇使用了他们的超强钋样品。他们让辐射从一个很薄的屏窗射入装有空气的电离容器，当屏窗物质是石蜡或其他含氢物质时，容器中的电离就会增强。于是，他们断定电离增强是由于石蜡发射出了质子流。遗憾的是，和博特一样，他们也把铍辐射看成是γ射线。在1932年1月18日，他们报告说这种辐射能使石蜡屏放出质子。更令人吃惊的是，这些发射出的质子具有惊人的高速度。约里奥·居里夫妇作了计算，如果这种铍射线真是电磁辐射，那么铍核释放的能量必定要比最初产生这些射线的a粒子的能量大10倍。这从理论上就很难解释了。可以说，约里奥·居里夫妇的实验是非常卓越的，是他们在发现中子的道路上迈出了富有启迪性的第一步。然而他们只是对这些过程中的能量是否守恒提出了疑问，而没有抓住实验与理论的这一尖锐矛盾进行深究，故而错过了发现中子的机会。据说，当时罗马一位年轻的物理学家马约拉纳看过约里奥·居里夫妇的那篇实验论文后非常惋惜地说：“真傻！他们已经发现了中性粒子，却不认识它！”
查德威克是一位英国科学家。他于1891年10月20日出生在曼彻斯特，1908年进入曼彻斯特大学，1911年以优等成绩毕业于该校物理学院。从1911年到1913年，他作为卢瑟福的研究生从事放射性研究。1923年他被任命为剑桥大学卡文迪什实验室主任助理，直到1935年。
1932年1月，约里奥·居里夫妇的实验对查德威克很有启发。当他读到他们的实验报告时，他立即告诉了卢瑟福。
卢瑟福得知约里奥·居里夫妇的解释后非常激动地说：“我不信”，并让查德威克尽快做实验来检验他们的结果。于是，查德威克重复了约里奥·居里夫妇的实验，但他是沿不同思路考虑这个问题的。他认为从石蜡中打出的质子不大可能是由丁射线产生的康普顿散射所致，因为这不仅需要能量很高的γ射线（而实际上，铍射线的能量并没有那么高），而且其打出的质子数比实验观测到的要少得多。自从1923年来到卡文迪什实验室后，查德威克就接受了卢瑟福关于“可能存在中性粒子”的思想。因此，他考虑到，这种射线会不会是中性粒子呢？
于是，他大胆地假设铍辐射是由中性粒子组成的。为了确定粒子的大小，他用这些粒子来轰击硼，并从新产生的原子核所增加的质量计算出射到硼中的粒子的质量与质子的大体相等。他又用云室探测这种粒子，结果他发现，这种粒子用云室根本探测不到，这表明这种粒子不带电荷。查德威克根据这些实验结果做出结论，现在找到的是一种新的粒子，这种粒子的质量与质子的质量大致相同，但不带电荷，也就是说，它是中性的。查德威克按照卢瑟福的原意，把这种中性粒子称为“中子”。1932年2月17日，他写信给《自然》杂志，发表了这一结果。稍晚一些时候，查德威克又将研究结果写成题为“中子的存在”的一篇更为详细的论文，发表在《皇家学会学报》上。他在文中总结道：“上面已研究了用钋的a粒子轰击时，从铍（和碳）发射出来的贯穿辐射的性质。推断出这种辐射不是由迄今所认可的量子发射组成的，而是由不带电的质量为1的粒子即中子组成的。”
因为发现中子，查德威克荣获了1935年诺贝尔物理学奖。当年卢瑟福坚持要把发现中子的诺贝尔物理学奖发给查德威克，说查德威克完全应该得到它。有人对卢瑟福提出：约里奥·居里夫妇对此也做出了必不可少的贡献！据说，卢瑟福回答道：“发现中子的诺贝尔奖应该单独给查德威克一个人；至于约里奥·居里夫妇嘛，他们是那样聪明，不久就会因别的项目而得奖的。”
其实，约里奥·居里夫妇错过发现机会的不只是中子，同样还有正电子！在安德森之前，当他们用钋和铍产生辐射时，就在云室中看到过正电子。然而，他们把它理解为飞向放射源的电子，而不是从源发出的正电子。1933年5月23日，他们证实了：从钋和铍源（除了发射中子外还发射硬丁射线）中发出的丁射线，通过物质产生了正负电子对。两个月以后，即7月份，他们除了正负电子对外，也记录到了单个正电子。
瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖委员会主席普雷叶教授在1935年诺贝尔物理学奖致词中讲得好：“今年的诺贝尔物理学奖是奖励发现了并被实验证实了的一种新的建造原子和分子的基石，即所谓中子。今年获奖的查德威克教授把直观认识、逻辑思维和实验研究结合起来，成功地证明了中子的存在并确定了它的性质。”