1931年，伊奧裏奧和居裏夫人的女兒、女婿居裏宣布了他們的新發現:石蠟在鈹射線的照射下產生了大量的質子。查德威克馬上意識到，這種射線很可能是由中性粒子組成的，這是解開原子核正電荷不等於其質量之謎的關鍵！
查德威克很快重做了上述實驗。他用α粒子轟擊鈹，然後用鈹產生的射線轟擊氫和氮，產生氫核和氮核。由此，他斷定這種射線不可能是伽馬射線。因為伽馬射線沒有把質子從原子中撞出來所需的動量。在他看來，這只能通過假設鈹發出的輻射是壹種質量與質子相似的中性粒子來解釋。
他用壹種儀器測量了被撞擊的氫和氮原子核的速度，並計算了這種新粒子的質量。查德威克還用其他物質做了實驗，所有的結果都是這種未知粒子的質量和氫原子核的質量差不多。這種粒子被稱為中子，因為它不帶電荷。後來更精確的實驗表明，中子的質量和質子的質量非常接近(質子質量1.38+0？×?10-27?Kg，中子質量是1.6749273×10？27?公斤).查德威克將自己的研究成果寫成論文《中子的存在》，發表在《英國皇家學會雜誌》上。查德威克重復伊奧裏奧·居裏的實驗並發現中子前後不到壹個月。壹方面，前人的工作為他奠定了基礎，主要是因為他能夠打破常規，具有大膽創新的精神，敢於掙脫傳統思維的束縛。
他發現的中子解決了理論物理學家在原子研究中遇到的難題，完成了原子物理研究的突破。後來，意大利物理學家費米以中子為“殼”轟擊鈾原子核，發現了核裂變和裂變中的鏈式反應，開創了人類利用原子能的新時代。查德威克因發現中子的傑出貢獻獲得1935諾貝爾物理學獎。他還獲得了法拉第獎章和富蘭克林獎章。
中子的發現不僅在實驗上導致了中子核反應、核裂變等現象的研究，而且在理論上導致了核結構和核力的研究，解釋了為什麽許多化學元素有許多原子量不同的“同位素”。由此，中子物理學的分支逐漸建立和發展起來。
中子核反應是指中子與原子核相互作用引起的核反應。主要包括:中子裂變反應；中子輻射俘獲。
中子核反應在研究核結構和反應機制以及核能利用中起著重要的作用。