Потом Резерфрод заметил, что порядковые номера атомов, соответствующие количеству протонов в ядре, и массы ядер не совпадают. Это натолкнуло его на мысль, что должны существовать еще какие-то частицы, без заряда, не нарушающие равновесие положительных и отрицательных частиц. В 1930 г. данное предположение было подтверждено экспериментами немецких ученых Герберта Бекера и Вальтера Боте. «Обстреливая» легкие атомы лития и бериллия ядрами гелия (альфа-частицами), физики наблюдали излучение, обладающее свойством проходить сквозь любые объекты. Поначалу Бекер и Боте приняли его за высокочастотные электромагнитные гамма-лучи, однако дальнейшие исследования показали: фотонное излучение, как бы глубоко ни проникало в толщу материалов, все же отстает по этим параметрам от излучений лития и бериллия. Ученые рассчитали, сколько весят все протоны атома бериллия, и получили 4 единицы, что весьма удивило их: ядро-то весит 9 единиц — кому принадлежат еще пять?!
Через два года французская ученая Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри) и ее муж Фредерик направили новооткрытое излучение на парафин, каждая молекула которого включает несколько десятков атомов водорода, и стали свидетелями того, как некие частицы выбивают из водородных ядер протоны. По мнению британского ученого Джеймса Чедвика, случилось это из-за того, что излучение являет собой поток электрически нейтральных частиц, находящихся в одной весовой категории с протонами. Чедвик повторил опыт Бекера и Боте и увидел, что испускаемые бериллием лучи, попадая в электромагнитное поле, не искривляются, а значит, не заряжены. Так был найден второй компонент ядерной структуры, которого не хватало в картине атома. Позже этот компонент получил название «нейтрон».
В связи с этим открытием соотечественнику Чедвика, Полю Дираку, пришло в голову, что всякая частица должна иметь близнеца-античастицу. Близнецы они потому, что массы у них равные, а «анти-» указывает на «зеркальный» заряд: если частица положительная, то ее антипод отрицательный, и наоборот.
Доказать эту гипотезу смог американский физик Карл Дейвид Андерсон (1905–1991). Ученый поместил в магнитное поле камеру Вильсона, которая содержит перенасыщенный пар и проявляет траекторию движения заряженных частиц посредством оседания капель на ионизированных атомах, и принялся наблюдать, как ведет себя в камере космическое излучение. Фотопленка зафиксировала следы, схожие с треками электронов, но направленные в другую сторону, а если магнитное поле изгибает какие-то частицы противоположно электронам, значит, заряд у этих частиц положительный. Во всем остальном они вели себя так же, как электроны: проходя сквозь 6-миллиметровый слой свинца, сталкивались с атомами вещества и теряли часть энергии.