В начале 90-х годов XIX века Рэлей заинтересовался плотностями основных газов атмосферы. Он провел свои собственные исследования в данной области и заметил разницу в плотностях азота, получаемого в результате химического синтеза, и азота, выделенного из воздуха путем удаления других известных его компонентов. Плотность азота из воздуха неизменно превышала на одну и ту же величину (1/230) плотность азота, выделенного из аммиака (вес 1 литра азота из аммиака был 1,2505 г, а вес азота из воздуха равнялся 1,2572 г).
Рэлей выдвинул гипотезу, что разницу в плотностях можно объяснить присутствием в воздухе неизвестного науке газа и что полученный из воздуха азот не является чистым. В своей статье 1892 года в журнале «Природа» он поведал о результатах своих опытов и попросил читателей предложить объяснение полученным данным, но никто так и не смог ответить на вопрос Рэлея.
19 апреля 1894 года знаменитый физик читал лекцию в Королевском обществе, которую посетил Уильям Рамзай. Рамзая заинтересовали опыты лорда Рэлея, и в результате ученые договорились продолжить исследования в данном направлении.
Рамзай провел серию эффективных крупномасштабных экспериментов, во время которых удалял из воздуха кислород, а оставшийся атмосферный азот пропускал несколько раз через нагретый магний. В результате этих экспериментов получался твердый нитрид магния и небольшое количество (около 1/80) инертного газа. При спектроскопическом анализе кроме линий азота наблюдались линии неизвестного газа.
В начале августа 1894 года Рамзай поделился результатами исследований с Рэлеем, сообщив, что ему удалось изолировать тяжелый компонент воздуха, неизвестный науке. Лорд Рэлей повторил эксперименты Рамзая, и они также подтвердили присутствие в воздухе неизвестного газа (1/107 первоначального объема).
После этого открытия ученые начали работать вместе и обменивались письмами почти каждый день. Они предложили место в периодической таблице для газообразных элементов.
13 августа 1894 года ученые совместно объявили об открытии нового элемента в атмосфере – первого инертного газа. По предложению председателя Британской ассоциации Мэдена газ назвали аргоном (от греческого «ленивый») из-за его инертности. После этого Рамзай продолжил свои опыты и идентифицировал другие инертные газы – неон, криптон, ксенон и гелий.
В течение периода, когда ученые исследовали аргон, Рэлей не изменил своим принципам и параллельно занимался другими научными исследованиями. В это время он опубликовал несколько важных работ по рассеиванию и интерференции света, телефонной связи, акустическим измерениям.
В 1900 году Джон Уильям Стретт получил зависимость распределения энергии в спектре абсолютно черного тела от температуры и вывел закон излучения абсолютно черного тела (закон Рэлея-Джинса). Хотя работа Рэлея распространялась только на длинные волны, она имела большое значение для возникновения теории квантов. Всего через несколько месяцев Планк сообщил о решении проблемы черного тела, предложив революционный квантовый подход к решению физической задачи.
В 1904 году Джон Уильям Рэлей был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований». Его сотрудник и коллега Уильям Рамзай в этом же году получил Нобелевскую премию по химии.
В своей презентационной речи 10 декабря 1904 года профессор Дж. Е. Цедерблом, президент Шведской королевской академии наук, акцентировал внимание присутствующих на том, что открытия Рэлея стали продолжением исследований ученых, проводившихся с XVII века. Открытие Рэлеем аргона способствовало серии открытий новых химических элементов – благородных газов. Исследования Джона Уильяма Стретта Цедерблом назвал «бриллиантовыми».
Свою нобелевскую лекцию, прочитанную 12 декабря 1904 года, лорд Рэлей озаглавил «Сосредоточенность газов в воздухе и открытие аргона». В ней знаменитый ученый подробно проанализировал историю своего величайшего открытия.
Джон Уильям был одним из наиболее плодовитых физиков за всю историю науки. Его перу принадлежат 448 научных трудов, что отчетливо свидетельствует о глубине понимания Рэлеем различных областей физики. Абсолютно все работы знаменитого физика отличаются ясным и чистым литературным стилем.
За свою более чем пятидесятилетнюю научную карьеру ученый занимал различные должности. Лорд Рэлей работал в шести научных и правительственных организациях. В течение шести лет он был президентом Правительственного комитета по взрывчатым веществам. С 1896 по 1919 год был научным руководителем «Тринити Хаус».
В 1883 году ученый стал членом Лондонского королевского общества. С 1885 по 1901 год он состоял его секретарем, а с 1905 по 1908 год был его президентом. С 1908 года и до конца жизни ученый был номинальным президентом Кембриджского университета.
Кроме того, лорд Рэлей являлся президентом Британской ассоциации фундаментальных наук, президентом Консультативного комитета по аэронавтике, главным контролером за снабжением Лондона натуральным газом, активно сотрудничал с Энциклопедией Британника.
С 1892 по 1901 год Джон Уильям Стретт был генерал-губернатором Эссекса. Будучи членом Палаты лордов, Рэлей редко вступал в политические дебаты, хотя и не позволял политикам мешать научному прогрессу.
В свободное время Джон Уильям любил путешествовать, увлекался теннисом, фотографией и музыкой.
Будучи от природы заядлым консерватором, Джон Уильям так и не принял теорию относительности Альберта Эйнштейна, хоть и внимательно следил за развитием науки в целом и квантовой теории в частности.
В 1871 году Джон Уильям Рэлей женился на Эвелин Бальфур, сестре будущего премьер-министра Великобритании – графа Артура Джеймса Бальфура – и дочери знатных английских аристократов. Супруги имели трех сыновей, старший из которых стал профессором физики в Королевском колледже, входящем в состав Лондонского университета, и был главным биографом своего отца.
Кроме Нобелевской премии Джон Уильям Стретт был награжден различными медалями и премиями, среди которых можно выделить медали Лондонского королевского общества – Королевскую медаль (1882), медаль Копли (1899) и медаль Румфорда (1914), а также золотую медаль Маттеучи Итальянской национальной академии наук (1895), медаль Фарадея Британского химического общества (1895), медаль Альберта Королевского общества искусств (1905) и медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1914). В 1902 году ученый был награжден орденом «За заслуги», а в 1905 году стал членом тайного совета Великобритании.
