Rutherford a kísérleti tapasztalatok alapján először úgy képzelte (1910), hogy a Z rendszámú magban A darab proton és A-Z darab elektron található, így válik kívülről semlegessé az atom, és a protonokat és elektronokat az elektromos vonzóerő tartja össze.

Elképzelését azonban el kellett vetnie, amikor Heisenberg 1927-ben kimutatta annak tarthatatlanságát. A határozatlansági törvény szerint ugyanis, ha az elektron a mag méretének megfelelő igen kis helyen tartózkodna csak nagy valószínűséggel, akkor impulzusa, s ezzel sebessége olyan nagy lenne, hogy ekkora mozgási energiával nem lehet ott tartani a Coulomb-erő segítségével. Így már nagyon hamar felvetődött egy semleges részecske létezésének gondolata.

1930-ban különös jelenségeket észleltek a kísérletezők, mikor berilliumot héliummagokkal bombáztak. A bombázás hatására olyan áthatoló sugarat kaptak, amely vastag ólomlemezen is áthatol és nem ionozál, vagyis töltéssel nem rendelkezik. A sugárzás hatására a hidrogéntartalmú anyagból hihetetlen energiájú protonok léptek ki. A jelenséget Chadwick (1891-1974) értelmezte 1932-ben, neutronok kilépésével, a következő reakció szerint:

A neutron ismeretében módosul az atom szerkezetéről alkotott kép. A mag Z darab protont és A-Z darab neutront tartalmaz, az atomburokban pedig Z darab elektron kap helyet.