原子核和原子有核结构的发现
电子发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中还有与电子的电荷等量的正电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。从１９０１年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。
一、汤姆逊的原子模型
第一个比较有影响的原子模型，是Ｊ．Ｊ．汤姆逊于１９０４年提出的“电子浸浮于均匀正电球”中的模型。他设想，原子中正电荷以均匀的密度连续地分布在整个原子中，原子中的电子则在正电荷与电子间的作用力以及电子与电子间的斥力的作用下浮游在球内。这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型”。汤姆逊还认为，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子的增多将造成结构上的周期性。因此他设想，元素性质的周期变化或许可用这种电子分布的壳层结构作出解释。汤姆逊的原子模型很快地被进一步的实验所否定，它不能解释α射线的大角度散射现象。
二、α粒子散射实验
卢瑟福从１９０４年到１９０６年６月，做了许多α射线通过不同厚度的空气、云母片和金属箔（如铝箔）的实验。英国物理学家Ｗ．Ｈ．布拉格（Bragg,W.H.1862-1942）在１９０４－１９０５年也做了这样的实验。他们发现 ，在此实验中α射线速度减慢，而且径迹偏斜了（即发生散射现象）。例如，通过云母的某些α射线，从它们原来的途径约偏斜２°，发生了小角度散射。１９０６年冬，卢瑟福还认识到α粒子在某一临界速度以上时能打入原子内部，由它的散射和所引起的原子内电场的反应可以探索原子内部结构。而且他还预见到可能会出现较大角度的散射。
１９０７－１９０８年间，在卢琴福指导下盖革也进行了α粒子散射实验研究，发现α粒子射入金属箔时散射角与材料的厚度和原子量有关；又发现大多数粒子散射角度很小，但有少数α粒子偏角很大。卢瑟福敏锐地认识到精确地观察大角度α粒子散射对于了解原子内部的电场和结构非常重要。在卢瑟福的指导下，盖革和青年研究生马斯顿（Marsden,E.1889-?）于１９０９年３月用镭作放射源，进行α粒子穿射金属箔（先后用了金箔和铂箔）的实验，精心测量数量极少的大角度散射粒子。结果发现约有八千分之一的入射α粒子发生大角度偏转，偏转角平均为90°，其中有的甚至反弹回来。α粒子的这种超过９０°的反常的散射现象，使卢琴福十分惊讶，虽然他事前对大角度散射做过一些推测。多年以后，他在１９２５年的一次讲演中曾讲到１９０９年３月这次实验后的心情。他说：“如果将一张金叶放在一束α射线的径迹上，某些射线进入金的原子并被散射，那只是所期望的。但是，一种明显而未料相想到的观察是一些快速的α粒子的速度和能量之大，那是一张极其惊人的结果。……正好象一个炮手将一颗炮强射在一张纸上，而由于某种其他原因弹头再弹回来一样”。在卢琴福的指导下，盖革和马斯顿对实验进行总结并写成论文，交英国皇家学会发表。
三、卢琴福发现原子核，建立有核原子模型
盖革和马斯顿由于对自己的发现的意义了解不深，论文发表后又回到小角度散射实验方面。卢琴福则不同，他１９０９年讲学时谈到大角度散射时说：“这一结果对于了解原子周围或原子内部的电场强度，带来了巨大光明。”又说：“原子处于一个强电场中的结论是不可避免的，否则α粒子通过象一个分子直径这样小的距离而改变方向是不可能的。”此后一二年内，卢瑟福以他敏锐的直觉和深邃的洞察力，紧紧抓住这个容易被人们忽略的反常现象，从原子内存在强电场的观点，探索α粒子大角度散射的原因，从而发现了原子的有核结构。
１９１０年１２月，卢瑟福对大角度散射过程的受力关系进行计算，得出一个新的原子结构设想。经过反复思索、研究，于１９１１年４月下旬写出论文《α和β粒子被物质散射和原子结构》，于５月发表。他认为α粒子是在同作为靶的金属箔的原子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子核，它对带正电荷的α粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转；原子核的体积很小，其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一，核外是很大的空的空间，带负电的、质量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动。卢瑟福在论文中提出他的原子有核模型可从几个方面验证，盖革和马斯顿１９１２年所做的实验证实了原子核的存在。１９１３年莫斯莱定律的发现以及１９１９年阿斯顿（Ast-on,F.W.1877-1945）用质谱仪测定各种元素的同位素进一步证实了卢琴福的原子模型。
但是，卢琴福原子模型由于同经典电磁理论存在着尖锐矛盾而遇到困难，所以发表后没有很快引起国内外的重视。１９１３年玻尔把量子论用于原子，与卢琴福有核原子模型结合起来，使它发展成为卢琴福－玻尔原子模型，迅速受到各国科学界的高度重视，大大提高了卢琴福和玻尔的声誉。从１８９８年发现镭到１９１１年发现原子核和原子有核结构，出现了根本变革以往的原子论的划时代科学硕果。原子有核结构的发现意味着原子物理学和核物理学的出现，也是现代结构化学即将诞生的前奏。