SỰ PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN
Năm 1909, người phụ tá Hans Geiger (1882 - 1945) đã ghé vào hỏi Rutherford: ''Theo ngài thì anh chàng trẻ tuổi Marsden mà tôi đang hướng dẫn các phương pháp nghiên cứu phóng xạ, hiện có nên để anh ta bắt đầu tự lực nghiên cứu một vấn đề hay không?'' Rutherford tỏ ra tán thưởng ý kiến đó và đề nghị Marsden tiến hành các thí nghiệm về quá trình tán xạ của hạt 
khi đi qua một tấm kim loại dát mỏng ở góc tán xạ lớn.
Sau đó Rutherford thú nhận rằng ông không tin tưởng lắm vào ý tưởng thí nghiệm ông đưa ra có thể dẫn đến một kết quả nào. Ông viết: ''Thật ra chúng ta đã biết rằng, là những hạt có khối lượng lớn do đó có năng lượng lớn như vậy có thể chứng minh không khó khăn gì là nếu quá trình tán xạ là tập hợp của nhiều lần tán xạ ở góc nhỏ thì xác suất để hạt tán xạ về phía ngược lại sẽ vô cùng nhỏ''.
Song Geiger và Marsden vẫn bắt tay vào làm thí nghiệm. Trong thiết bị thí nghiệm của họ, mẩu phóng xạ phát ra một chùm hẹp các hạt cát, chùm hạt này đi qua tấm kim loại dát mỏng và sau đó đập vào một màn phủ lớp chì lưu huỳnh. Khi hạt va chạm vào màn thì phát sinh những đốm sáng, đó là những điểm nhấp nháy mà chúng ta có thể quan sát được trong bóng tối nhờ kính hiển vi. Thiết kế của hệ thiết bị cho phép quay kính hiển vi cùng với màn ảnh quanh một trục thẳng đứng đi qua tâm thiết bị và cho phép đếm được số hạt bị tán xạ theo nhiều góc 
khác nhau.
Theo các số liệu kết quả của Marsden và Geiger, thì góc tán xạ có xác suất lớn nhất sau quá trình tán xạ của các hạt , khi đi qua tấm kim loại dát mỏng (với dộ dày là 0,0004mm) phải bằng 0,870. Điều này có nghĩa là hạt có khả năng xuyên qua tấm kim loại dát mỏng mà hầu như không gặp một lực cản trở nào. Một điều gây kinh ngạc cho hai nhà thực nghiệm là họ quan sát được cứ khoảng 20000 hạt lại có một hạt tán xạ ngược lại, nghĩa là góc tán xạ > 900!
Kết quả thực nghiệm này đã gây ấn tượng rất mạnh cho Rutherford. Sau này ông nhớ lại: “Tôi còn nhớ lại lúc Geiger đến gặp tôi trong tình trạng xúc động và nói rằng: chúng tôi đã quan sát được hiện tượng các hạt tán xạ ngược lại''… Điều này cũng gần tương tự như tình huống khi ta bắn một viên đạn vào một mẩu giấy thuốc lá và viên đạn lại dội ngược lại và va vào chúng ta''.
Điều gì đã làm hạt bật ngược lại? Có thể đó là kết quả của nhiều lần va chạm với các nguyên tử của tấm kim loại dát mỏng chăng? Điều này khó hình dung quá. Vì đáng lý ra khi hạt va chạm với các nguyên tử của tấm kim loại thì hạt sẽ bị lệch lúc về phía bên này, lúc về phía bên kia cho nên trung bình hạt sẽ có một góc tán xạ nhỏ, gần với trị số không. Xác suất để góc tán xạ > 900 theo các tính toán chỉ bằng một giá trị vô cùng nhỏ - là 3.l0 -2174!
Sau nhiều thời gian suy ngẫm Rutherford đi đến kết luận sau này: ''Vì khối lượng, xung lượng và động năng của hạt vô cùng lớn so với các đại lượng tương ứng của electron cho nên không thể xảy ra hiện tượng hạt bị tán xạ với một góc lớn khi va chạm với electron. Như vậy phải giả thiết rằng nguyên tử chứa một tâm mang điện tích phân bố trong một thể tích rất nhỏ''. Cái tâm mang điện tích đó của nguyên tử Ruthelford đặt tên là hạt nhân của nguyên tử.
Trong quá trình các thí nghiệm đa số hạt đã bay qua tương đối xa hạt nhân, cho nên quỹ đạo bị lệch không nhiều lắm so với hướng bay ban đầu, chỉ một số hạt bay qua sát với hạt nhân và chịu tác động lực đẩy điện trường nên lệch đi những góc lớn. Quỹ đạo của các hạt được biểu diễn trên hình vẽ: hạt nhân dưới dạng một quả cầu, b là khoảng cách giữa hạt nhân và hướng bay ban đầu của hạt , còn là góc lệch hay góc tán xạ.
Như vậy, Rutherford cùng các cộng sự của mình đã phát hiện sự tồn tại của hạt nhân mang điện tích dương của nguyên tử. Hạt nhân này có kích thước vô cùng bé - chỉ khoảng 10-13cm, nghĩa là nhỏ hơn kích thước nguyên tử 5 bậc (10-8cm).
Trên cơ sở các thí nghiệm của Rutherford thực hiện vào năm 1911, ông đưa ra kết luận là cấu trúc của nguyên tử tương tự như cấu trúc của hệ Mặt Trời. Hạt nhân đóng vai trò của Mặt Trời, còn các electron là các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời. Mặc dầu mô hình được kiểm nghiệm, nhiều nhà vật lý thời bấy giờ vẫn còn nhìn nhận mô hình Rutherford với thái độ e dè.
Cấu trúc của nguyên tử chỉ giống hệ Mặt Trời ở vẻ bên ngoài, và sự tương tự này đã gây ra nhiều nhầm lẫn. Khác với các hành tinh vốn liên đới với nhau nhờ lực hút tương hỗ, các electron lại đẩy nhau. Sức hút của Mặt Trời đối vái các hành tinh ở các quỹ đạo xa được cộng thêm vài lực hút của các hành tinh ở các quỹ đạo gần trong khi đó thì các electron ở phía trong làm yếu đi tác động của hạt nhân đối với các electron ở những vành ngoài, nói cách khác các electron ở phía trong đã thực hiện một ''màn ngăn'' điện tích của hạt nhân. Các hành tinh hệ khác nhau về nhiều tính chất, trong khi các electron, đều có khối lượng, và điện tích bằng nhau và là những hạt đồng nhất không thế phân biệt được.
Song nhược điểm lớn nhất trong mô hình hành tinh của nguyên tử là: gồm hạt nhân có điện tích dương với những electron quay xung quanh trên quan điểm của điện động lực học cổ điển là một hệ không bền vững, do đó không tồn tại được. Thật vậy theo định luật của điện động lực học cổ điển, một điện tích chuyển động có gia tốc phải mất dần năng lượng vì bức xạ, còn electron khi quay xung quanh hạt nhân quả là đã chuyển động với gia tốc hướng tâm. Vì năng lượng của electron quay quanh hạt nhân gắn liền với bán kính quỹ đạo, như thế khi năng lượng mất dần (vì bức xạ) thì bán kính quỹ đạo cũng thu nhỏ dần và cuối cùng thì electron rơi vào hạt nhân. Nhà bác học người Đức Friedrich Otto Schott (1851 - 1935) từ năm 1904 đã tính ra khoảng thời gian để electron rơi vào hạt nhân bằng một khoảnh khắc vô cùng bé, cỡ 10-11s. Vậy mà trong thực tế nguyên tử lại là một hệ bền vững!
Như thế các thí nghiệm của Rutherford lại dẫn đến một tình huống bế tắc. Hoặc chúng ta phải từ bỏ điện động lực học, hoặc phải từ bỏ mô hình hành tinh của nguyên tử. Đa số các nhà vật lý thời bấy giờ không đồng quan điểm với việc từ bỏ điện động tức học vì môn khoa học này đã được kiểm nghiệm rất nhiều lần và đã đem lại nhiều ứng dụng thực hành. Vì vậy năm 191l tại Đại hội Solvay lần thứ nhất, có mặt các nhà bác học ưu tú nhất như Albert Einstein, Max Planck, Marie Sklowska = Curie, paul Langevin và nhiều nhà nghiên cứu khác, cũng không ai nhắc đến ý tưởng Rutherford. Trong nguy cơ thất bại của mô hình hành tinh, Rutherford vẫn tin tưởng mô hình là đúng đắn.
(Sau này Pyotr Leonidovich Kapitsa đã gọi Rutherford là Cá Sấu vì ông này cũng giống như con cá sấu không bao giờ quay mình trở lại, Rutherford lúc đó đã phát biểu viết: vấn đề về tính bền vững của nguyên tử - không nên đặt ra trong giai đoạn này, vì rõ ràng tính bền vững này phụ thuộc vào cấu trúc mảnh dẻ của nguyên tử và vào chuyển động của các hạt mang điện tích trong nguyên tử. Chỉ có cơ học lượng tử ứng dụng vào nguyên tử mới đưa được mô hình hành tinh của Rutherford ra khỏi ngõ cụt, mà phương án cơ học lượng tử đầu tiên được nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr đề ra vào năm 1913.
