原子核は、陽子と中性子から成り立っていますが、中性子は電荷を持たないため検出が難題でした。1930年代初頭には、ベリリウムにα線を当てると強い透過力をもつ未知の放射線が出ることが報告されていました。多くの研究者はそれを高エネルギーγ線と考えていましたが、物理量のつじつまが合いませんでした。チャドウィックはポロニウムのα線でベリリウムを照射し、放出された放射線をパラフィンに当てて飛び出す陽子のエネルギーを精密に測定しました。運動量保存則とエネルギー保存則から、陽子を弾き飛ばした粒子の質量が陽子とほぼ同じで電荷がゼロであると結論づけ、中性子を提唱しました。中性子は同位体の質量差の説明を可能にし、原子核の構造モデルを大きく刷新しました。さらに、電気的に中性であるため原子核に容易に浸透し、核分裂の誘発や新しい放射性同位体の生成に不可欠な「触媒」となりました。その成果は、原子力発電や中性子散乱による材料解析、がん治療に使われる中性子捕捉療法など、社会の幅広い領域で活用されています。

チャドウィックの実験は、当時の検出器技術と精密な運動学解析を駆使した点で画期的でした。彼はポロニウムから放出される5.3 MeVのα粒子をベリリウム箔に照射し、生成される中性放射線をパラフィンや窒素ガスに入射させる二段構えの配置を採用しました。パラフィン中の水素原子から散乱して出てくる陽子の飛程と電離量をイオン化室で測定し、陽子の最大エネルギーが約5 MeVであることを得ました。γ線起源であればこのエネルギーは説明できず、質量 m≈mp の中性粒子と仮定することでのみ整合が取れると示しました。この検証では、相対論的運動量保存式とコンプトン散乱式の違いを使い、γ線仮説を排除しています。新粒子の導入は、ウィード表現の核モデルの問題点—同位体質量数と核電荷との差—を自然に解決しました。また、ヴァイツゼッカーの液滴模型での結合エネルギー計算において、中性子数を独立パラメータとして扱う基盤を提供しました。中性子線は核分裂臨界の制御に不可欠であり、1938年ハーンらによるウラン分裂の発見へと直結します。さらに、ブラッグ回折の原理を応用した中性子散乱実験は、結晶中の原子位置や磁気構造を解析する強力な手段となりました。現在では、パルス中性子源とスピントリッピング技術を組み合わせ、ソフトマターや高温超伝導体の研究にまで応用が拡大しています。チャドウィックの論文 Nature 129, 312 (1932) は、わずか数ページながら粒子物理と原子核物理の扉を開いた金字塔と評価されています。彼の研究姿勢は、仮説を安易に受け入れずシンプルな運動学で本質を突くという実験物理学の典型例として、現在も学生教育で引用されます。

チャドウィックの実験系は、ポロニウム210 α源（活量約10 mCi）と0.25 mmベリリウムターゲットを1 mmギャップで配置し、背面にパラフィンブロックを置く構造だった。彼はイオン化室の電荷収集法とWulf型電流計を用いて陽子の線エネルギー損失(dE/dx)を測定し、最大散乱角を140°程度まで検出した。得られた陽子スペクトルから、中性粒子の最大運動エネルギーを約7.5 MeVと推定し、質量を1.006±0.01 uと算出した。γ線シナリオの棄却にはKlein–Nishina式を用いたエネルギー分布の比較を行い、観測された後方散乱成分との不一致を定量的に示している。当時提案されていた「複合電子‐陽子モデル」を否定し、独立成分としての中性子を核力モデルに導入したことで、Heisenbergの同位回転対称性議論を補完した。その後、フェルミはチャドウィックの中性子源を改良し、slow-neutron捕獲断面積に指数関数的な1/v依存性が現れることを実証した。これにより、中性子は熱化させることで核分裂確率を飛躍的に高められるという臨界技術の基礎が確立した。高フラックス中性子源の開発は、定量的な中性子回折、スピン偏極中性子散乱、トリプルアキシス分光といった先端計測手法を可能にした。近年では、超冷中性子(UCN)を利用したEDM測定やβ崩壊における非標準相互作用探索が進み、チャドウィックの発見がPrecision frontierに貢献し続けている。理論面では、中性子質量差(mn−mp)を含むアイソスピン対称性の破れがNambu–Jona-Lasinio型有効理論やラティスQCDで精密に計算され、ビッグバン元素合成の初期陽子‐中性子比に直接関与している。中性子星内部の超流動フェーズやBCS‐BEC crossover問題も、核力のスピン依存性を解析する上で不可欠な研究課題となっている。以上のように、チャドウィックの中性子発見は、核物理から宇宙物理、凝縮系物理に至るまで多次元的な研究プラットフォームを提供した。それは、測定系の巧妙な設計と運動学的議論という、実験物理学の王道を貫いた成果であり、なおも引用回数が伸び続ける古典論文である。