Chadwick mindenekelőtt megállapította, hogy a Bothe-féle sugaraknak ez a tulajdonsága, hogy atomokat hevesen meglöknek, vagy belőlük nagysebességű anyagi részecskéket ugratnak ki, egészen általános, minden elem atomjain tapasztalható, de a nagy atómsúlyú elemek körében mégis kevésbbé észlelhető, mint a könnyű elemeken.

Mikor így gazdag tapasztalati anyag állt rendelkezésére, hozzáfogott a sugarak természetének kiderítéséhez. Mindenekelőtt azzal kellett tisztába jönnie, hogy csupán gamma-sugárzásról van-e szó vagy másfajta sugárzás is jelen van, sőt ez a túlnyomó.

Chadwick először megvizsgálta, hogy okozhatja-e gamma-sugárzás a jelenséget. E végett kiszámította, hogy mekkorának kellene lenni a gamma-sugárzás egy sugárkvantuma (fotonja) energiájának, hogy a hidrogén- és a nitrogén-atommagnak olyan nagy mozgási energiát tudjon adni, amekkorát tapasztalni lehet. Kiderült, hogy óriási energiájú fotonokra volna szükség, olyanokra, amilyeneket az ismert radioaktív anyagok nem bocsátanak ki.

E miatt Chadwick elvetette azt a föltevést, hogy a Bothe-féle sugárzás teljesen gamma-sugárzás és egy új föltevéshez folyamodott, mely a rejtély megoldásához vezetett. E föltevésre a sugarak nagy áthatoló ereje késztette őt.

Minthogy a sugarak hatása még 30 cm vastag ólomrétegen való áthaladás után is észlelhető, arra gondolt, hogy e sugárzás alkotórészeivel szemben mind az átjárt anyag atommagjai, mind elektronjai közömbösen viselkednek, semmiféle elektromos vonzó- vagy taszítóerőt reá ki nem fejtenek, ezért tud olyan könnyen keresztüljutni az említett részecskék hatalmas tömegén.

Tehát föltette, hogy a Bothe-féle sugárzás lényeges alkotórészei elektromos töltés nélküli anyagi részecskék, melyek rugalmas ütközés útján adnak hatalmas lökést a hidrogén- és nitrogén-atommagoknak. Minthogy a mérésekből ismeretes volt az ellökött atommagok mozgási energiája és tömege is, Chadwick ki tudta számítani a föltételezett anyagi részecskék tömegét és sebességét, tehát mozgási energiáját is.

Eredményül azt találta, hogy a részecskék tömege körülbelül akkora, mint a hidrogén-atóm tömege, mozgási energiája pedig körülbelül akkora, mint egy olyan elektroné, amely 5 millió volt feszültségkülönbségen haladt át. Ekkora mozgási energiájú anyagi részecskéknek csak akkor lehet olyan nagy áthatoló erejük, amilyet említettünk, ha elektromos töltésük nincs.

Az eredmény tehát megerősítette Chadwicet ama nézetében, hogy a Bothe-féle sugárzás lényeges alkotórészei elektromos töltést nem mutató s a hidrogén-atommal közelítőleg egyenlő tömegű anyagi részecskék. E részecskéket neutronoknak nevezte el.