В 1931 году супруги Жолио повторяют эксперимент немецких физиков Вальтера Боте и Герберта Беккера. Те год назад обстреливали некоторые легкие элементы — такие, как магний и бериллий, — альфа-лучами из полониевого источника, чтобы изучить гамма-излучение этих элементов. И пришли к странному результату, что излучение, вызванное в ядрах бериллия, оказалось существенно сильнее, чем у полониевого источника. Боте и Беккер истолковали этот неожиданный феномен как гамма-излучение, однако некоторое сомнение в этом оставалось. Теперь супруги Жолио намереваются разрешить эту загадку. Из своих полониевых сокровищ они изготовили к этому времени самую сильную в мире альфа-лучевую пушку. Французы подтверждают открытие немцев, но еще немного расширяют экспериментальную установку Боте и Беккера. Позади полониевого орудия и бериллиевой мишени они размещают и другие материалы — например, парафин. Так они обнаруживают, что таинственное «излучение бериллия» выбивает из парафина протоны, которые отлетают с огромной необъяснимой скоростью. Однако нового толкования эксперимента из Парижа так и не поступает. Жолио удивляются этому курьезу, но так и остаются перед ним в растерянности. Поэтому они присоединяются к мнению Боте и Беккера и приписывают гамма-излучению из ядер бериллия всю ответственность за выброс протонов из парафина.
Когда Джеймс Чедвик в январе 1932 года читает статью французов, он предугадывает решение этой загадки. Гамма-лучи, правда, могут выбивать из орбит легкие электроны, но протоны оказывают гораздо большее сопротивление, поскольку они почти в 2000 раз тяжелее. Если наблюдение Жолио верно, то картина похожа на то, как если бы метнуть бильярдный шар в гранитный валун и ждать, что валун отлетит по воздуху на двадцать метров. Чедвик знает: лишь одна частица, по массе близкая протону, в состоянии выбить из парафина протон и отбросить его. Тут действительно могла вступить в игру электрически нейтральная частица, которую Эрнест Резерфорд предсказал почти двенадцать лет назад и масса которой сопоставима с массой протона. Супругам Жолио, как видно, неизвестно, что теза Резерфорда как влитая могла бы встать в пробел интерпретации. И вот Чедвик врывается — с журналом Comptes Rendus в руке — в кабинет Резерфорда и сообщает ему новость из Парижа. По свидетельству Чедвика, он впервые за двадцать лет видел своего ментора действительно потерявшим на мгновение дар речи.
Итак, обстоятельства складываются в пользу того, чтобы наконец доказать существование нейтральной частицы. В Кавендишскую лабораторию как раз поступила большая партия использованных радоновых ампул из американского университета Джона Хопкинса. И после того как Чедвику удалось не вполне безопасное выделение полония, он может сам исследовать это пресловутое «излучение бериллия», уже имея в голове убедительную гипотезу, припасенную до поры до времени. Альфа-частицы из его полониевого источника вызывают в бериллии, как и ожидалось, сильное излучение. Чедвик тестирует, однако, не только их действие на парафин, но выставляет позади препарата бериллия еще добрую дюжину других элементов — таких, как углерод, азот и кислород. Даже свинцовый слой толщиной в два сантиметра не представляет собой препятствия для лучей. Выясняется, что независимо от структуры материала из элемента выбивается одно и то же число протонов. Эти столкновения настолько энергичны, что гамма-лучи никак не могут рассматриваться в качестве их причины. Чедвик убежден: то, что коллеги трактовали как таинственное излучение бериллия, на самом деле является потоком частиц. Эти выбитые из бериллия частицы сталкиваются с протонами стоящих позади него мишеней. Из измеренных характеристик этих столкновений Чедвик вычисляет массу неизвестной частицы. Она почти идентична массе протона.
Чедвик может подтвердить и второе предсказание Резерфорда. Новооткрытые частицы без труда проникают сквозь различные материалы. Они не отклоняются электрическими зарядами атомного ядра и электронов. А это означает: они, должно быть, электрически нейтральны. Так Джеймс Чедвик в феврале 1932 года, после десяти лет тщетных поисков, осуществил стремительный финишный рывок и открыл мифическую нейтральную частицу. Он называет ее «нейтрон». В полном изнеможении и уже слегка подвыпивший, он оповещает взволнованно сбежавшихся сотрудников Кавендишской лаборатории о своем значительном открытии. Английский физик и писатель Ч. П. Сноу был свидетелем этой речи. В конце Чедвик якобы сказал: «А сейчас бы мне уснуть под хлороформом и недели две не просыпаться». Однако желание отдохнуть так и осталось несбыточным, поскольку открытие Чедвика — сенсация, великий прорыв, который бурно обсуждается по всему миру. Физики-экспериментаторы надеются, что этот новый проницающий материю снаряд поможет им глубже проникнуть в ядро, поскольку электрические барьеры в атоме бессильны перед ним и не могут его остановить. Как знать, что там еще скрывается в ядре.