Es wurde allgemein angenommen, dass der Atomkern aus positiv geladenen Teilchen besteht, die den Großteil der Masse ausmachen. Mit einer entsprechenden Anzahl der wesentlich leichteren und kleineren Elektronen im Kern wäre die Ladung des Atomkerns insgesamt positiv und genauso groß wie die negative Ladung der Elektronen in der Hülle des Atoms ist. Auch der Zusammenhang zwischen Kernladung und Atommasse lässt sich auf die Weise erklären.

Die Erklärung konnte erst 1932 durch James Chadwick, einen Mitarbeiter Rutherfords, geliefert werden:

1930 hatten zwei deutsche Wissenschaftler entdeckt, dass beim Beschuss von leichten Elementen, zum Beispiel Beryllium (Atommasse 9 u), mit α-Teilchen eine Strahlung entsteht, die ungewöhnlich stark durchdringend ist. Chadwick griff diese Ergebnisse auf und führte Experimente durch, um diese Strahlung zu charakterisieren. Er fand dabei heraus, dass diese Strahlung aus Teilchen besteht, die sich weder durch ein elektrisches noch durch ein magnetisches Feld beeinflussen lassen, genau wie γ-Strahlung. Allerdings ungefähr die gleiche Masse haben wie die positiv geladenen Teilchen des Atomkerns. Chadwick nannte diese Teilchen Neutronen.

Durch die Entdeckung des Neutrons konnte das Modell des Atomkerns verändert werden. Demnach ist der Kern aus positiv geladenen Teilchen und den Neutronen zusammengesetzt. Diese Teilchen machen zusammen den absoluten Großteil der Masse des Atoms aus. Die Anzahl der positiv geladenen Teilchen im Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle. Die Anzahl der Neutronen im Kern ist dagegen variabel.