О первом превращении ядра, как уже говорилось, Резерфорд мог судить по появлению протонов. С помощью экрана из сернистого цинка не представлялось возможным регистрировать появление бета- (электронов) или гамма-лучей. А немецких учёных Боте и Беккера как раз интересовало, не возникает ли при бомбардировке атомного ядра альфа-частицами что-нибудь ещё, кроме протонов. В качестве источника альфа-частиц они применили полоний, для мишени взяли некоторые лёгкие элементы. В опыте было обнаружено возникновение каких-то исключительно энергичных лучей, для которых не был преградой даже свинцовый экран с толщиной, вполне достаточной, чтобы задержать не только бета-, но и гамма-излучение. Особенно заметно было возникновение таких лучей, когда под обстрелом альфа-частиц находился элемент бериллий. Следует заметить, что энергия альфа-частиц, используемых Боте и Беккером, была ниже, чем та, которую несли альфа-частицы в экспериментах Резерфорда. И именно тот элемент, у которого Резерфорд не мог зарегистрировать акта превращения, в опыте немецких учёных показал возникновение исключительно мощного излучения.

Бериллиевое излучение, как стали его называть, заинтересовало многих физиков, так как, по всей видимости, свидетельствовало о том, что альфа-частицы захватываются ядром без выбивания из него протонов.

Научные наследники Пьера и Марии Кюри — их дочь Ирен с мужем, супруги Жолио, взялись за изучение этого процесса и воспроизвели эксперименты немецких учёных с использованием более совершенной регистрирующей аппаратуры. В специальной установке они подвергли действию бериллиевого излучения различные вещества. Ничего особенного не было замечено при прохождении этих лучей через массивные свинцовые экраны, кроме того, на что уже было указано ранее. Но неожиданный эффект получился тогда, когда лучи пропускались через преграды из веществ, содержащих водород (парафин, целлофан).

В камере Вильсона, замечательном регистрирующем приборе, позволяющем сфотографировать пути летящей частицы, появились следы, со всей несомненностью указывающие на то, что частицы эти — протоны.

Этому явлению требовалось объяснение. Оно напрашивалось: бериллиевые лучи, обладающие огромной энергией, приводят в движение протоны, находящиеся в ядре лёгкого элемента. У массивных ядер такой процесс затруднён, поэтому и зарегистрированных камерой Вильсона протонов гораздо меньше.

Казалось бы, всё логично. Но вот беда: не сходится энергетический баланс. По величине пробега протонов представлялось возможным измерить их энергии, и это, конечно, было сделано. Результат измерения был ошеломляющим. Энергия лучей, под воздействием которых вылетали протоны, в десять с лишним раз превосходила энергию альфа-частиц первоисточника — полония. Возникал старый тривиальный вопрос: откуда энергия?

Супруги Жолио-Кюри опубликовали результаты своей работы, не скрывая своих трудностей. Естественно, что многие учёные недоверчиво отнеслись к экспериментам Жолио-Кюри, так как они не дали удовлетворительного объяснения. Однако в лаборатории Резерфорда сообщению французов оказали исключительное внимание. Джеймс Чэдвик немедленно проверил эксперименты Жолио-Кюри и получил результаты, ещё более несовместимые с предположением об электромагнитной природе бериллиевых лучей. Их воздействию он подверг азот и аргон, значительно превосходящие своей массой водород, и также обнаружил появление частиц с большой кинетической энергией. Расчёт показал, что в таком случае энергия новых лучей должна превосходить исходную уже в 20 и 30 раз. Но не могло же быть так, что энергия этих лучей менялась в зависимости от того, на что они действовали. Всё это навело Чэдвика на мысль, что бериллиевое излучение вовсе не электромагнитной природы, а представляет собой поток частиц, по массе примерно равных протонам, но совершенно не имеющих заряда.

Так была открыта новая элементарная частица — нейтрон.

Открытие, можно сказать, было в руках у французских учёных, но оно выскользнуло, как сказочная жар-птица. Всего пять недель минуло с тех пор, как опубликовали Жолио-Кюри результаты своей работы, и вот англичанин строго и последовательно разбирает их, проверяет, ставит добавочные эксперименты и совершает открытие.

Не следует, однако, думать, что резерфордовскому ученику сильно повезло, что он счастливчик, волей сложившихся обстоятельств пожавший плоды трудов французских учёных. Совсем нет! Он был подготовлен к открытию, шёл к нему уже много лет. За двенадцать лет до описываемых событий Резерфорд высказал убеждение в том, что со временем должна быть обнаружена частица, не имеющая заряда. Он говорил об этом в так называемой бейкерианской лекции ещё в 1920 г. Ни Ирен, ни Фредерик Жолио-Кюри своевременно не ознакомились с текстом её, полагая, что в таких лекциях редко можно найти что-нибудь новое, прежде не публиковавшееся. По собственному признанию Фредерика Жолио-Кюри, если бы случилось иначе, то нейтрон почти наверняка был бы открыт в Париже раньше, чем в Кембридже.

Что же дала новая частица физикам-исследователям? Очень много. Появилась возможность обстреливать ядра элементов, не преодолевая отталкивающего их действия. Ведь нейтрон не имеет заряда, он электрически не взаимодействует ни с протоном, ни с электроном. Открылась перспектива, правда, ещё пока не совсем ясная, попадать в ядро тяжёлой частицей с большей лёгкостью, не прибегая к помощи циклопических установок.

В том же году советский учёный Д.Д.Иваненко и независимо от него немецкий — В.Гейзенберг разработали теорию строения атомного ядра, отличную от прежних представлений. В ядре нет никаких электронов, не надо больше задавать вопроса — почему они не слипаются? Ядро составлено из протонов и нейтронов. Этим и объясняется разница в массах изотопов. Ядро тяжёлого водорода, например, в своём составе имело один протон и один нейтрон, поэтому заряд этого изотопа оставался неизменным, тогда как масса была удвоенной. В скором времени, менее чем через два года, был открыт и ещё один изотоп водорода, названный тритием, или сверхтяжёлым водородом, у которого в ядре было два нейтрона и один протон. Каждый химический элемент стал рассматриваться теперь как совокупность атомов, располагающих одинаковым числом протонов в ядре и неодинаковым — нейтронов.

Не столь многообещающее, но тоже сильно впечатляющее открытие было сделано в том же году. Физик-теоретик П.Дирак предсказал существование своеобразного антипода электрона — частицы его массы, но противоположного заряда. Далеко не всех убедил этот учёный, однако при исследовании следов частиц космического излучения американец К.Андерсон нашёл этот антипод, который был назван позитроном. Видимо, сам он считал, что у него ещё недостаточно данных, чтобы твёрдо говорить о «внеземной» положительно заряженной частице, и первую публикацию об этом сделал не в научном, а научно-популярном журнале. Знаменитый физик Милликен вскоре показал Резерфорду фотографию, снятую в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле, на которой явственно был виден след частицы малой массы. След этой частицы изгибался в противоположную сторону от следа, оставляемого электроном. Появились в атомной физике новые загадки, но многое, до того необъяснимое, стало для учёных ясным и определённым, был получен импульс для новых поисков и исследований.

Как же повели себя супруги Жолио-Кюри после того, как они «немного не дотянулись» до открытия нейтрона? Разочаровались в своих исследованиях и, что называется, опустили руки? Ничего подобного; наоборот, они повторили эксперименты Чэдвика и опубликовали сообщение, в котором подтверждали его вывод. Начался, по выражению Резерфорда, «бег на старте исследования», в котором лидировали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они стали систематически изучать, от каких веществ под воздействием альфа-частиц можно получить нейтроны. В октябре 1933 г. они выступили в Брюсселе на Сольвеевском конгрессе с сообщением о том, что под ударами альфа-частиц лёгкие элементы вроде алюминия испускают не только протоны, но и нейтроны и положительные электроны — позитроны. Но французов ожидал блистательный провал. Известный немецкий физик Лиза Мейтнер сказала, что она знакома с работами Жолио по предварительным сообщениям, повторила их эксперименты со всей тщательностью, но ничего, кроме эмиссии (испускания) протонов, обнаружить не смогла.