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在还无人确切知道α粒子是什么，以及α粒子是如何以这么高的速度在一种原子转变为另一种原子的过程中被发射出来的时候，像卢瑟福之类的研究工作者就开始使用它们了。这类由原子反应产生的高能粒子可以用作研究原子结构时使用的探测粒子，作为科学研究中奇妙的反方法一例，α粒子用来打原子，恰好α粒子又是由原子中放出的。1907年卢瑟福从蒙特利搬到英国的曼彻斯特大学并成为那里的一位物理学教授；1908年他获得了诺贝尔化学奖以表彰其在放射性方面的工作。这个奖他觉得好笑。虽然诺贝尔奖奖金委员会将关于元素的研究归为化学，卢瑟福一直将自己视为物理学家，没有多少时间去研究化学，他视化学为更低一些的学科。（随着量子物理给予分子和原子更新的理解，化学成为物理学的一个分支，这个物理学家的幽默变得更真实）。1909年，在卢瑟福手下工作的汉斯·盖革（Hans Geiger）和厄内斯特·马斯顿（Ernest Marsden）做了一个实验，在实验中，将α射线束射向一片薄的金属箔，那时还不能进行粒子的人工加速，只好使用来自自然的α辐射。射向金属箔片的α粒子的出射方向由闪烁显示屏显示，当有一个粒子打向荧光屏时，在屏上就会出现一个亮点。一些粒子直接穿过金属箔，另外一些发生偏折，奇怪的是，竟有一些反折回来。这是为什么呢？
卢瑟福找到了答案，每个α粒子大约比电子重7000倍（实际上α粒子等于去掉两个电子的氦原子），并以接近光速的速度运动。如果与一个电子碰撞，它会把电子撞到一边而自己不受影响。偏折一定是金属箔原子中带正电的东西造成的（电荷之间的相互作用正如磁极那样同性相斥），可是如果汤姆逊的西瓜模型是对的话，那么就不会有α粒子被反折回来。如果正电荷充满整个原子球的话，那么所有的α粒子肯定都能直接冲过去，因为实验表明大部分粒子可以直接穿过金属箔。如果西瓜模型能让一个粒子穿过去，它也应该能让所有粒子穿过。可是如果原子的正电荷集中在很小的体积中，此体积比整个原子的体积小得多，那么，只有偶尔与原子中心的小聚集体头对头碰撞才发生反折，而大部分α粒子会直接穿过原子正电部分以外的虚空间。只有这样设计，才能做到一部分粒子碰到原子后而反折，一部分稍稍偏折，另一部分直接穿过不受影响。
由此，在1911年，卢瑟福提出了一个原子的新模型，这成了原子结构的现代理解的基础。他说必须存在一个原子的中心部分，他称之为原子核。原子核包含原子的所有正电荷，这个电荷电量正好与围绕其分布的电子云的负电荷相等，因此原子核加上电子合起来能保证原子的电中性。后来的实验表明原子核的大小仅为原子尺寸的十万分之一，原子核的典型尺寸为10-13cm，而包含电子云的原子尺寸为10-8cm。这样可以帮助你直观地了解这些尺寸特征，设想一个针尖约为毫米尺寸，放在圣保罗大教堂的中心，周围的微尘分布在100米的范围内。针尖代表原子核，而尘埃代表电子。原子中就有这么大的空间，而所有看来是固体的东西是由这样的空间组成的，由电子黏结起来。请记住：卢瑟福提出他的新原子模型时，他已获得了诺贝尔奖（此模型建立是他设计的实验）。可是他的职业生涯并没有被超越，因为1919年他宣布了人工元素的嬗变，同年接任J.J.汤姆逊成为卡文迪什实验室的主任。他先是被封为骑士（1914年），接着在1931年受封为纳尔逊·卢瑟福爵士。尽管如此，将其诺贝尔奖的工作算在内，毫无疑问他对科学最大的贡献是原子模型。此模型改变了物理学，导致这样一个明显的问题——既然电荷的吸引力大于其排斥力，为什么带负电荷的电子不会落入带正电的原子核中去呢？答案包含在原子与光的相互作用中，这就标志着量子理论的初步认识的年代就要到来。