Les neutrons sont utilisés pour la diffusion neutronique, processus permettant d'étudier de la matière à l'état condensé. Ce rayonnement pénétrant permet de voir les intérieurs des corps, comme des métaux, des minerais, des fluides et permet d'examiner leur structure à l'échelle atomique par diffraction. Un autre avantage des neutrons réside dans leur sensibilité magnétique due à leur spin, ce qui permet d'étudier la structure magnétique des matériaux. La spectroscopie neutronique permet d'étudier d'une manière unique les excitations des corps, comme les phonons, les vibrations atomiques et les magnons. Les neutrons sont également utilisés pour radiographier des objets spéciaux (éléments pyrotechniques de moteurs fusée par exemple, ou encore barres de combustible irradié). On parle dans ce cas de neutronographie. Dans ces utilisations, le rayonnement neutronique est complémentaire des rayons X.
Les neutrons sont également utilisés pour leur aptitude à provoquer des réactions nucléaires (fissions, capture radiative ou diffusion inélastique). Une application en est le contrôle nucléaire de procédé, qui permet de mesurer quantitativement et qualitativement le contenu de mélanges de matière fissile (uranium, plutonium, actinides mineurs) dans le processus de traitement du combustible usé (usine de La Hague notamment).
La découverte du neutron a résulté de trois séries d’expériences, faites dans trois pays différents, l’une entraînant l’autre. En ce sens elle est exemplaire de la recherche de la connaissance.
En 1930, en Allemagne, W. Bothe et H. Becker, spécialistes du rayonnement cosmique observent que des éléments légers, bombardés par des particules alpha (α), émettent des rayons « ultra pénétrants » qu’ils supposent être des rayons gamma beaucoup plus énergiques que ceux émis par des noyaux radioactifs ou accompagnant les transmutations nucléaires.
En 1931, en France, Irène et Frédéric Joliot-Curie intrigués par ces résultats cherchent à comprendre la nature de ce rayonnement et découvrent qu’il a la propriété de mettre en mouvement des noyaux atomiques et en particulier des protons… Ils supposent qu’il s’agit là d’un effet Compton entre des gamma dont ils estiment l’énergie à environ 50 MeV (une énergie très élevée pour l’époque) et de l’hydrogène.
En 1932, en Angleterre, aussitôt ces résultats parus, James Chadwick fait un test confirmant les résultats et va plus loin et mesurant avec précision l’énergie des noyaux projetés en utilisant la réaction nucléaire 4He(α) + 9Be → 12C + 1n, il peut affirmer que le rayonnement « ultra pénétrant » ne peut être un rayonnement gamma, d’énergie très élevée, mais doit être composé de particules de masse 1 et de charge électrique 0 : c’est le neutron.
Chacune des trois équipes avait travaillé avec les appareils dont elle disposait, mais aussi avec ses connaissances et avait baigné dans la tradition de son laboratoire. Il n’est pas étonnant que ce soit au laboratoire de Cambridge, dirigé par Ernest Rutherford que le neutron ait été découvert. Depuis 1920, Rutherford, en effet, avait émis l’hypothèse de l’existence du neutron.
James Chadwick fut l’assistant de Rutherford et l’un de ses plus brillants disciples. Ce fut le 3 juin 1920 qu’il entendit Rutherford, dans le cercle des habitués des Bakerian Lectures de la Royal Society, formuler l’idée d’une sorte d’atome de masse 1 et de charge 0 qui n’était pas l’hydrogène : cet objet, n’étant pas sujet aux répulsions électriques que subissaient les protons et les particules alpha, devait pouvoir s’approcher des noyaux et y pénétrer facilement. Chadwick se souvint douze ans plus tard de cette communication, quand il eut à interpréter les résultats de ses expériences.
Plus tard, apprenant que le prix Nobel avait été décerné à Chadwick pour la découverte du neutron, Rutherford dira, selon Emilio Segrè : « Pour le neutron, c’est Chadwick tout seul. Les Joliot-Curie sont tellement brillants qu’ils le mériteront vite pour quelque chose d’autre ! »