卢瑟福考虑到电子是原子里带负电的粒子，而原子是中性的，那么原子核必然是由带正电的粒子组成的。这粒子的特征是怎样的呢？他又想到氢原子是最轻的原子，那么氢原子核也许就是组成一切原子核的最小微粒，它带1个单位正电荷，质量是1个氧单位。卢瑟福把它叫做“质子”。这就是卢瑟福的质子假说。1919年，卢瑟福本人用速度是20000千米／秒的“子弹”——Q粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是1，质量是1，这样的微粒就是质子，这就证明了卢瑟福自己的质子假说是正确的。
卢瑟福考虑到原子核如果完全由质子组成，那么某种元素的原子核所带的正电荷，在数值上一定等于那种元素的原子量，因为元素的原子量，主要是原子核决定的，核外电子的质量是微不足道的。但是事实并不是这样，元素的原子量总是比它的核所带的正电荷数大一倍或一倍以上，这说明原子核里除了质子之外，必然还有一种质量和质子相仿，但却不带电的粒子存在。所以在1920年，他提出了中子假说：原子核里存在一种“中子”微粒，它不带电，质量是一个氧单位。
博特但是，直到12年以后的1932年，英国物理学家查德威克才在卡文迪许实验室里发现了中子。这时卢瑟福已接替卡文迪许实验室退休的汤姆生的职务。
这个发现要追溯到德国和法国物理学家们的研究工作。
1930年，德国物理学家博特和贝克尔利用钋发射的C1粒子去轰击铍、硼和其他轻元素时，他们用尖端式盖革计数管（一种对伽玛射线灵敏的探测器）探测到了有一种穿透力异常大的射线产生。法国物理学家约里奥·居里夫妇，利用一个强得多的钋源进一步研究了受到Ⅱ粒子射击后的铍的辐射现象。他们把铍发射出来的射线解释为“Y射线”，把从含氧物质中打出的质子解释成“Y射线在氢核上的”“散射”了。由于他们没有足够地重视理论，这就使他们错过了完成一项重大发现的机会。他们误认为是“Y射线”的，正是人们长期寻找的中子流，并不是Y射线。他们走到了“中子”的门口，而没有发现它。
1932年，海峡对岸的英国物理学家查德威克，对此进行了反复试验，每次他都得到了相同的结果。他进一步察觉这些射线像Y射线和X射线一样不会被磁偏折，可见是中性的。然而，这种射线的运动速度却与之大不相同，只为光速的1／10，比起几乎以光速前进的Y射线来说，简直太慢了。
查德威克继续研究这些射线，发现当这种射线被笔直地引向氮气时，偶然会有个别以极大的力量打进氮原子。如果是Y射线，则没有这种现象发生。查德威克对这种新射线进行了多次试验和能量测量，发现在不同情况下，新射线的能量也不同。他想，这种新射线显然与Y射线不相同，它是由粒子组成的。为了确定粒子的大小，他用这种粒子轰击硼，并从新产生的原子核所增加的质量来计算加到硼中去的这种粒子的质量，结果算出新粒子的质量与质子大致相等。查德威克在卢瑟福的领导下，长期从事寻找中子的研究，理论思维帮助了他从现象中抓到本质，终于悟出：这种新射线正是长期寻找的中子流。这样，他惊人地发现了人们预言的中子。
这是科学预言的又一个胜利。
至此，人们在探索原子秘密的道路上，又前进了一大步。所以，中子的发现被誉为原子科学发展的第二个重大发现（第一个重大发现是放射性现象的发现）。
接着，在这个发现的启示下，前苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中子组成的模型（质子和中子统称为核子），使长期存在的原子核结构问题得到了初步解决。
卢瑟福向人们报告了用Q粒子轰击像镁、铝等轻金属的原子核所发生的变化。因此在新闻界曾不止一次地为卢瑟福及其助手们在进行的原子转变工作欢呼、喝彩，称他们为现代可以点铁成金的“炼金术士”。他们经常提出这样的问题——可不可以说，现代炼金术士所做的工作要比古代的炼金术士所曾梦寐以求的理想更为神奇、美妙呢？是否真能很快地“制造”出金子来呢？
卢瑟福为此发表了公开声明，严正地驳斥了这种过于天真的臆测：“把一种金属变为另一种金属并不是不可能的。不过，至少在相当长的一段时间里，企图使之商品化的可能性是不存在的。”
不论在什么情况下，卢瑟福同科学界绝大多数学者一样，对自己所从事的科学工作的商业利益毫无兴趣，他们只对扩展知识领域有兴趣，他们的目的并不在于把廉价的金属转变为昂贵的金属，而是为了探索元素之间相互转变的可能性。
这是卢瑟福他们的局限性，是一种错误的观念。
更令人感到惋惜的是，卢瑟福对原子的研究虽然得到了那么突出的成果，但他对于原子能量的开发利用却抱着一种悲观的态度。1933年9月，他在不列颠协会的演说中声称：
“通过这些方法，我们可能获得比目前提供的质子高得多的能量，但一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量。这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的。把原子核变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已。”“我们可能永远做不到这一点。”其实，通过原子核的变化取得能量不仅是可能的，而且由此取得的原子能非常巨大，应用非常广泛。
这是卢瑟福在他一帆风顺的科学生涯中走错了几乎是仅有的一步。这次会上，与会者中的大多数人感到他对将来利用原子能的可能性，未免过于悲观了。
不仅卢瑟福在认识上有错误，当时对于原子核内蕴藏的能量能否实际应用，开始并没有引起普遍注意。甚至到了1938年哈恩发现铀核裂变时，核物理学家玻尔也还认为，核裂变反应的实际应用是不可能的。连哈恩自己，当他同几个要好的同事辩论他的发明的实用性问题时，对核能的应用还大叫：“无疑，这是违反上帝意志的！”
1942年，当科学家们在历史上首次实现了核裂变的自持链式反应，并控制住它的时候，表明原子能不仅可以为人类所利用，而且力量惊人。