Etant une particule sans charge le neutron a résisté à sa découverte pour plus longtemps. Rutherford a présumé que le noyau de l'atome d'Hélium (la particule alpha) devrait contenir une particule neutre pour expliquer sa masse, quatre fois la masse du proton, vu que sa charge relevait de deux protons seulement. Cependant, il pensait que l'objet neutre était une combinaison d'un électron et d'un proton.

Les évidences principales pour le neutron sont venues d'une expérience de James Chadwick à Cambridge en 1932. D'autres chercheurs avaient déjà trouvé en Allemagne que bombarder le Béryllium avec les particules alpha, causait l'émission d'une radiation neutre qui pouvait pénétrer 200 mm du Plombe. Aussi, lorsqu'un bloc solide de cire paraffine était placé devant cette radiation, des protons étaient émis de la cire.

Chadwick a étudié ces rayons neutres en les envoyant dans le gaz de l'azote et a trouvé que les atomes du gaz subissaient un mouvement de recul en collisions. En comparant ces mouvements de recul aléatoires pour différentes matières il était capable de déterminer que la radiation neutre était en fait un faisceau de particules neutres – les neutrons. De plus il a réussi à mesurer la masse de cette nouvelle particule élémentaire et a démontré que celle-ci est légèrement plus grande que la masse d'un proton.