ジェームズ・チャドウィック
研究者として > ケンブリッジ

Clerk-Maxwell奨学金は1923年に満了し、ロシアの物理学者ピョートル・カピッツァに引き継がれた。科学産業研究部門の諮問委員会の会長(The Chairman of the Advisory Council of the Department of Scientific and Industrial Research)であるWilliam McCormick卿は、チャドウィックがラザフォードの助手(assistant director)になるよう手配をした。この役割において、ラザフォードがPhDの学生を選抜するのを助けた。その後数年間でこの中にジョン・コッククロフト、Norman Feather、マーク・オリファントがおり彼らはチャドウィックと堅い友人になった。多くの学生は何を研究したいか分からなかったため、ラザフォードとチャドウィックはトピックを提案した。また、研究室で作られた全ての論文の編集を行った。
1925年、リバプールの株式仲買人の娘であるAileen Stewart-Brownと出会った。2人はカピッツァをベストマンとして1925年8月に結婚した。1927年2月に双子の娘TJoannaとJudithが誕生した。
研究においては原子核の調査を続けた。1925年、スピンの概念により物理学者たちはゼーマン効果を説明することができたが、説明できない異常も生み出した。当時、原子核は陽子と電子で成ると考えられていたため、例えば質量数14の窒素原子核には14個の陽子と7個の電子が含まれていると推測されていた。これにより正しい質量と電荷が与えられたが、スピンは間違っていた。
1928年にケンブリッジで行われたベータ粒子とガンマ線に関する会議において、ガイガーと再会した。ガイガーは彼のポスドク学生ヴァルター・ミュラーにより改良されたガイガーカウンターの新たなモデルをチャドウィックに持ってきた。チャドウィックは戦争以来使っておらず、新たなガイガーミュラーカウンターはケンブリッジで使っている、観察のときに人の目頼みのシンチレーション技術を大幅に改善する可能性があった。これの主な欠点は、アルファ、ベータ、ガンマ線やラジウムを検出するところであった。ラジウムはキャベンディッシュ研究所で普通に使っており3つ全てが放射されていたためチャドウィックが考えていたものには適さなかった。しかし、ポロニウムはアルファ放射体であり、リーゼ・マイトナーがチャドウィックにドイツから約2ミリキュリー(約0.5 μg)を送った。
ドイツではヴァルター・ボーテとその学生Herbert Beckerがポロニウムを用いてベリリウムにアルファ粒子を衝突させ普通ではない形の放射線を発生させていた。チャドウィックはオーストラリアの1851年博覧会教授(Exhibition scholar)Hugh Websterに彼らの結果を複写させた。チャドウィックにとってこれは彼とラザフォードが何年もの間仮説を立ててきた何か、電荷を持たない理論的な核粒子、中性子の証拠であった。1932年1月、Featherはチャドウィックの注目先を他の驚くべき結果に向けた。フレデリックとイレーヌ・ジョリオ＝キュリーはポロニウムとベリリウムをガンマ線と考えられるものの源として用いパラフィンワックスから陽子を放出させることに成功した。この結果にラザフォードとチャドウィックは合意しなかった。陽子はそれにしては重過ぎるのである。しかし、中性子は同じ効果を発揮するのに少ないエネルギーしか必要としない。ローマでは、エットーレ・マヨラナも同じ結論に達していた。ジョリオ＝キュリー夫妻は中性子を発見していたものの、それが分からなかった。
チャドウィックは他の全ての責務を放棄し、中性子の存在を証明することに集中し、Featherに助けられながら頻繁に夜遅くまで働いた。ポロニウム源とベリリウムのターゲットを含むシリンダーからなる単純な装置を考案した。結果生じる放射線はパラフィンワックスなどの材料に向けられる。置換された粒子（陽子であった）はオシロスコープで検出できる小さな電離箱に入る。
1932年2月、わずか2週間行った中性子の実験の後、チャドウィックは"Possible Existence of a Neutron"（「中性子の存在可能性」）というタイトルのレターをNatureへ送った。5月に"The Existence of a Neutron"（「中性子の存在」）というタイトルの論説を王立協会紀要に送り自身の発見を詳細に伝えた。この中性子の発見は、原子核を理解するうえでマイルストーンとなる出来事であった。ロバート・バッチャーとエドワード・コンドン（英語版）はチャドウィックの論文を読むと、中性子が1/2のスピンを持ち窒素原子核が7個の陽子と7個の中性子からなる場合、窒素のスピンのような当時の理論の例外が解決されることに気づいた。
理論物理学者のニールス・ボーアとヴェルナー・ハイゼンベルクは中性子が陽子と電子のペアではなく、陽子や電子のような基本的な核子であるかどうかを考察した。ハイゼンベルクは中性子が新たな核子として最も良く説明されることを示したが、正確な性質は不明のままであった。チャドウィックは1933年のBakerian Medal受賞講演において、中性子の質量を約1.0067 uと推定した。陽子と電子を合わせた質量は1.0078 uであるため、このことは陽子-電子複合物としての中性子は約2 MeVの結合エネルギーを持つことを含み、妥当と思われた。ただし結合エネルギーが非常に小さい粒子がどのように安定しているかを理解するのは困難なことであった。このような小さい質量差を推定するには精緻な測定に挑戦する必要があり、1933-4年にいくつかの矛盾する結果が得られた。ホウ素にアルファ粒子を衝突させることでフレデリックとイレーヌ・ジョリオ＝キュリーは中性子の質量としては大きな値を得たが、カリフォルニア大学のアーネスト・ローレンスのチームは小さな値を得た。その後ナチス・ドイツから亡命しキャベンディッシュ研究所の大学院生であったモーリス・ゴールドハーバー（英語版）は、チャドウィックに208Tl（当時はトリウム C"として知られていた）の2.6MeVガンマ線により重陽子を光壊変させられることを提案した。
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 2 1D  | +  | γ  | →  | 1 1H  | +  | n |
中性子の質量の正確な値はこの過程により決定できる。チャドウィックとゴールドハーバーはこれを試し、うまくいくことがわかった。生成された陽子の運動エネルギーを1.05MeVとして測定し、方程式において中性子の質量を未知とした。陽子と重陽子の質量に使われる値によりこれを1.0084もしくは1.0090原子単位であると計算した（中性子の質量の最新の許容値は1.00866 uである）。中性子の質量は陽子と電子のペアとしては大きすぎだった。
中性子の発見により、遅い中性子を捕獲しその後ベータ崩壊することでウランよりも重い元素を生成することが可能になった。他の原子の原子核に存在する電気力により反発される正に帯電したアルファ粒子とは異なり、中性子はクーロン障壁を超える必要が無いため、ウランなどの重い元素でも原子核に入りこむことができる。これによりエンリコ・フェルミは原子核と低速中性子の衝突により起きる核反応を調査するようになり、この研究で1938年にノーベル賞を受賞した。
チャドウィックが1914年に報告したベータ線の連続スペクトルを説明するために、ヴォルフガング・パウリは1930年12月4日に別の種類の粒子を提案した。ベータ線のエネルギーの全てを説明できるわけではないため、エネルギー保存の法則に反するように見えるが、パウリは未発見の別の粒子が関わっていればこれを矯正することができると主張した。パウリはこの粒子も中性子と呼んだが、明らかにチャドウィックの中性子と同じ粒子ではなかった。フェルミはこれをイタリア語で「小さな中性子」という意味のニュートリノという名前に変えた。1934年、フェルミは原子核から放出された電子は中性子が陽子、電子、ニュートリノに崩壊することにより生成すると説明するベータ崩壊の理論を提案した。ニュートリノは失われたエネルギーを説明できたが、質量が小さく電荷のない粒子は観測が困難であった。ルドルフ・パイエルスとハンス・ベーテはニュートリノは地球を簡単に通過できると計算したため、検出する可能性はわずかであった。フレデリック・ライネスとクライド・カワンは近くの原子炉からの大きな反ニュートリノ流内に検出器を置くことにより、1956年6月14日にニュートリノを確認した。