中性子の発見
X++粒子は後に質量4を持ち単なる低エネルギーのアルファ粒子と決定された。それにもかかわらず、ラザフォードは質量1の中性粒子である中性子と質量2で+1荷電粒子である重陽子の存在を推測していた。後者は1931年にハロルド・ユーリーにより発見された重水素の核である。仮定の中性粒子の質量は陽子の質量とほとんど異ならないとされた。ラザフォードはそのような電荷のない粒子はそのとき使える技術では検出が難しいであろうと判断した。
1921年までにラザフォードは非荷電粒子を中性子(neutron)と命名したが、これとほぼ同時期に陽子(proton)という単語が水素原子核を表すのに採用された。neutronという語は、ラテン語の語根neutralとギリシア語の末尾 -on(electronやprotonの模倣)から構築されたようである。ただし、原子に関連するneutronという言葉は、すでに1899年に文献にある。
ラザフォードとチャドウィックは、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所で中性子を捜索する実験プログラムをすぐに開始した。実験は1920年代を通じて継続されたが成功しなかった。
ラザフォードの推測は広く受け入れられなかった。ジョージ・ガモフはコペンハーゲンの理論物理学研究所にいた1931年に著した教科書Constitution of Atomic Nuclei and Radioactivityにおいて中性子について言及していない。キュリー夫妻(イレーヌ・ジョリオ=キュリーとフレデリック・ジョリオ)は、1932年にパリで行い中性子につながることになる測定を行ったときに、この推測について知らなかった。
超ウラン核種は中性子吸収により形成されたウラン(92)より大きな原子番号を持つものであり、自然には発生しない。1938年7月、アンシュルスの後マイトナーはナチスドイツでの反ユダヤの迫害から逃れざるをえなくなり、スウェーデンで新たな地位を確保することができた。1938年12月16-17日に行われた重大な実験(「ラジウム-バリウム-メソトリウム分別」と呼ばれる化学プロセスを使用)は不可解な結果をもたらした。彼らがラジウムの3つの同位体と理解していたものは、矛盾なくバリウムとして振舞っていた。ラジウム(原子番号88)とバリウム(原子番号56)は同じ族である。1939年1月まで、ハーンは超ウラン核種と考えていたものがバリウム、ランタン、セリウム、軽い白金族元素などずっと軽い核種であると結論づけた。マイトナーとその甥オットー・フリッシュは、これらの観察結果を核分裂(この用語はフリッシュが造語)から生じたものとすぐに正しく解釈した。ハーンと共同研究者は、中性子吸収により不安定になったウラン核がより軽い元素に分裂することを検出した。マイトナーとフリッシュは各ウラン原子の核分裂が約200 MeVのエネルギーを放出することも示した。核分裂の発見は原子物理学者の世界的コミュニティと大衆に衝撃を与えた。核分裂に関する2番目の出版物で、ハーンとシュトラスマンは核分裂過程の間の追加の中性子の存在と遊離を予測した。フレデリック・ジョリオとそのチームは1939年3月にこの現象が連鎖反応であることを証明した。1945年、「重い原子核の核分裂の発見」で1944年のノーベル化学賞を受け取った。