Poco después de que Thomson desarrollara su modelo atómico, Ernest Rutherford, el físico experimental mas prominente de su tiempo, obtuvo impresionantes datos sobre la estructura de la materia.
Rutherford y sus dos colaboradores: Hans Geiger y Ernest Marsden, realizaron experimentos que consistieron en la dispersión de partículas alfa provenientes de un material radiactivo natural contra hojas delgadas del elemento en estudio, como oro, plata o cobre. Las partículas alfa pueden viajar algunos centímetros en el aire o aproximadamente 0.1 mm a través de la materia sólida antes de alcanzar el reposo por medio de colisiones.
Los resultados experimentales fueron muy diferentes a lo que se esperaba. Si el modelo de Thomson hubiese sido correcto, las partículas alfa que lograran atravesar la placa no deberían sufrir desviación, o si se desviaban, solo debería ser por unos cuantos grados. Algunas partículas alfa sufrieron gran desviación y otras incluso se desviaron ángulos cercanos a 180°, es decir, prácticamente regresaban hacia atrás.