尽管人们对放射性现象的本质的认识还很模糊，但不少学者已经想到，可以利用这些高速运动的粒子作为武器，来研究原子的内部结构。
英国物理学家卢瑟福用Q粒子作为炮弹轰击原子核，期望用它来揭开原子内部的秘密。其中有一部分试验是这样进行的：在窄束的a粒子的前进方向上放上一张金属薄片。根据汤姆逊模型，如果原子是一个实心的小球，那么，Ⅱ粒子通过金属箔时，即使不能把金属原子轰开，也会与它们发生千万次碰撞而改变自己的路线，从金属箔后飞出来的粒子应具有各种不同的方向。然而试验的结果却完全不是这样。以每秒2万千米高速前进的Q粒子，除了少数发生角度的偏转和反弹以外，大部分毫无阻碍地穿过金属箔，几乎不改变自己的直线前进方向。
卢瑟福新原子模型下铜原子结构这个试验说明原子不是实心的球体，更不是“带葡萄干的布丁”。原子的大部分是“空”的。它的全部正电荷和质量都集中在一个很小的体积内，其断面大约只有整个原子断面的十万分之一。正因为这样，原子允许Q粒子通行无阻，只有当Ⅱ粒子恰好碰到原子核时才发生偏转或反弹。
如果把原子比作地球，那么，电子就只有在地球表面上滚动的“足球”那么大，而带正电的原子核，相当于地球中心的一个直径为一二百米的“核”。对原子来说，除了滚动的“足球”和密实的“核”以外，其他地方都是空的。各个原子的“核”本来应挨在一起，由于电荷之间存在斥力，才使它们之间保持着很大的距离。如果把原子核紧挨着排列起来，则1立方厘米纯粹的核物质，其重量将达到11400万吨！
卢瑟福据此提出了一个新的原子结构的模型——质子——电子模型。他认为原子类似于一个缩小了的太阳系，中间是质子组成的核心，外围是一群绕核旋转的电子。质子带有一个正电荷，质量为电子的1836倍，因此原子核几乎集中了原子的全部质量。然而，这个模型有一个明显的漏洞，因为除了氢原子核为带一个正电荷的质子以外，其他所有元素核内的电荷数，并不等于核内的质子数。例如氦原子核带两个单位正电荷，但质量却相当于四个质子。如果它是由四个质子组成的，那么其中有两个质子的正电荷到哪里去了呢？在研究放射性现象时，学者们曾认为原子核内除了质子以外，还有电子，它们可以中和那些多余的质子电荷。β衰变过程就是一个例证，在β衰变时，从放射性元素的核内飞出了真正的电子。
然而奥地利物理学家泡利通过实验证明，电子是不可能在核内独立存在的。这样，学者们只好假定，核内还存在另外一些粒子，其质量与质子相同，但没有电荷。1920年，三个物理学家在三个不同的国家提出了这个想法。他们是英国的卢瑟福、澳大利亚的马森和美国的哈金斯。哈金斯甚至为这种尚未发现的粒子起了一个名字，叫做中子。但是，此后10多年间，这个设想一直没有得到证实。
1930年，德国物理学家博特和他的合作者贝克尔，用Ⅱ粒子轰击轻金属铍，预期用Ⅱ粒子能从铍原子核中打出质子来。可是没有出现质子，却发觉有另一种辐射。这种辐射贯穿力极强，甚至能穿透几厘米厚的铅板。根据当时的认识，由靶物产生的各种形式的辐射中，唯一能贯穿厚铅层的只有γ射线。所以博特和贝克尔断定，他们得到了γ射线。
1932年，居里夫妇重复了博特和贝克尔的实验，得到了相同的结果。不过，他们在辐射的路径上还放上了石蜡作试验。石蜡是由碳和氢两种轻原子构成的。他们惊奇地发现，新的辐射从石蜡中打出了质子。从来也没有发现过γ射线具有这样的性质，但他们又想不出这种辐射还能是别的什么，因此，就以为发现了γ射线的一种新功能。太可惜了，他们已经站在了发现中了的门槛上，却又退了回去，没能进入这一新的科学殿堂。
英国物理学家詹姆斯·查德威克了解这些情况后指出，γ射线没有质量，因此不可能具有将质子从原子里击出的能量。而电子太轻，也不可能做到这一点。因此，这一定是一些本身就相当重的粒子，可能是中性粒子。但如何确定它的质量，证明它是中性粒子呢？
由于当时发明的质谱仪等仪器无法测定中性粒子的质量。查德威克想到了利用弹性碰撞的理论，即用相同速率的中性粒子，分别去轰击含氢物质和含氮物质，根据被击出的氢核和氮核的速率，可以求得入射粒子的质量。结果测得这种粒子的质量与氢核的质量几乎一样。这就证明了的确存在着一种质量与质子相等的中性粒子。根据哈金斯当年的建议，查德威克把这个新发现的粒子命名为中子。这一年是1932年。由于发现中子，查德威克荣获了1935年的诺贝尔物理奖。这也是他探索了12年获得的成果。
中子的发现在当时的物理学界引起很大的反响，但丝毫没有受到社会的注意。只是13年后，在日本广岛上空爆炸了第一颗原子弹时，人们才理解到中子意味着什么——中子是开启核能宝库的一把金钥匙。