接著又對其他元素暴露在鈹輻射下的效應進行了一係列的研究。每種元素被鈹輻射後的射線轟擊時，計數器觀測到的偏轉數都是增加的。接著，查德威克在費則博士的合作下，用膨脹室的方法對氮反衝原子進行了檢驗。這次，源容器直接放在一台清水膨脹室上方，以使大部分鈾輻射穿過膨脹室。這種類型的雲室是以突然減低壓強的方法使氣體冷卻，從而造成蒸氣在離子上凝結的原理進行工作的。他們在幾小時的過程中觀察到了大量的反衝徑跡。它們在室中的目測射程有時達到5.6毫米，對膨脹進行校正後相當於標準空氣中的3毫米左右。這些目測估計值是費則從用一台大型自動膨脹室在一係列初步實驗中拍得的氮反衝徑跡照片中得到的。現在，不同速度的氮的反衝原子的射程已經測量出來，分析這些實驗結果，查德威克發現由鈹輻射產生的氮的反衝原子至少應具有每鈔4000千米的速度（射程越大，反衝原子的速度就越大），相當於大約12萬電子伏特的能量。如果我們用量子的碰撞來解釋反衝原子，要使碰撞後的反衝原子具有這麼大的能量，就必須假定量子的能量約九百萬電子伏特左右，這和能量守恒定律完全不符合。而量子碰撞過程中能量是守恒的，這是已經證明的事實。
總之，查德威克在大量重複實驗過程中證明了鈹輻射具有以下特點：第一，此輻射具有巨大的穿透本領，它們的巨大穿透力就意味著它們必然是電中性的（因為荷電粒子會受到原子內電場的偏轉，這就是電中性的γ射線之所以比α或β射線穿透力強得多的原因）。這種輻射的速度僅為光速的十分之一，所以它屬於γ射線。第二，如果這種輻射是γ射線，計算出γ射線的能量比約裏奧·居裏夫婦算得的還要大得出奇，並且當碰撞原子的質量增加時，還必須假想這種γ射線的能量越來越大，這與能量守恒原理和動量守恒原理都不相符合，決不可能使能量值與引起輻射的能量一致。這充分說明鈹輻射不是γ射線。第三，任何能從原子核中打出質子的輻射，必須是由一些本身就應該相當於質子那麼重的粒子所構成，所以這種粒子一定是一種迄今未發現的新粒子。
經過實驗的觀察，再加之大量的理論分析，至此，查德威克把直觀認識、邏輯思維和實驗研究結合起來，他大膽地提出這種鈹輻射就是盧瑟福曾經預言而他自己尋覓已久的“中子”。他認為鈹輻射是由鈹發出的，由質量與質子幾乎相等而不帶電荷的中性粒子，即中子組成的，他發現實驗得出的結果和理論計算完全一致，其他物質的輻射也存在同樣的情況。鑒於這些事實，中子的存在是毫無疑問了。就這樣在約裏奧·居裏夫婦的文章發表後不到一個月，即1932年2月17日，查德威克宣布發現了“中子”。
對查德威克來說，就像盧瑟福說的一樣，中子隻不過是一個質子和一個電子的合成體，而不是以其名稱存在的一種基本粒子。但查德威克並沒有推測中子在原子核結構中的作用。中子發現後，人們紛紛來討論它，中子在原子核的結構中起什麼作用？它真的是一個質子和電子的合成體嗎？德國物理學家、量子力學的著名先驅者之一沃納·海森堡在1932年提出了一個新的理論，原子核由質子和中子組成，靠質子和中子間相互交換電子而保持在一塊。也就是說，一個中子放出它的電子，變成一個質子，隨後該電子被另一個質子獲得，就又成為一個中子。在這裏，海森堡仍然認為中子是一個質子和一個電子的合成體，因此實際上他仍把原子核看成是由質子和電子構成的。
對於原子核的這種看法其實早已經是自相矛盾的了。原子核是由電子和質子組成的核的電子假說已經存在著許許多多的漏洞，用這種核的電子假說來解釋當時的核物理所涉及的問題都得出矛盾的結果。為了解決這些矛盾，科學家們進行了極其艱苦的努力。最後一致認為，解決的辦法就是假設中子是一種基本粒子，是和電子和質子一樣的基本粒子。如果假設原子核是由質子和中子構成的，那麼，由於中子質量與質子大致相同（這是實驗已經驗證的了），那麼原子量就必然等於中子和質子的總數，而原子序數正好等於質子數，因為質子是原子核中僅有的帶電粒子。他就是說，質子數和中子數分別由下列規則給出：原子序數等於質子數，中子數等於原子量減去原子序數。於是兩者的和就是原子量。這個規則正是我們今天所使用的規則。