实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度比汤姆孙模型所预言的大得多的偏转，大约有1/8000 的α粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆森模型说明。1911年卢瑟福提出原子的有核模型（结构模型），与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核，电子绕着核在核外运动，由此导出α粒子散射公式，说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为 米[1] ，此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆森在1903年提出的原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动，为建立现代原子核理论打下了基础。
直线运动的α 和β 粒子在碰到物质原子时，运动方向会发生偏转。β 粒子的散射数目要比α 粒子更多，因为β 粒子的动量和能量要小得多。似乎已没有疑问，如此迅速移动的粒子以其原来的路径穿过了原子，而观察到的偏转是由于遍布于原子系统内强电场作用的结果。一般假设，一束α 或β 粒子射线在通过薄片物质时的散射，是物质原子来回多次小散射的结果。然而，Geiger 和 Marsden 对α射线散射的观察显示，某些α 粒子在单次碰撞时，一定会发生大于正常角度的偏转。例如，他们发现，一小部分入射α 粒子，大约 20000 个中有1 个，在穿过厚度约为 0.00004cm的金箔时平均偏转了 90°的角度，如此厚度的金箔阻止α 粒子的能力相当于1.6mm厚度的空气。Geiger 接着指出，一束α 粒子穿过以上厚度金箔最可能偏转的角度是 0.87°。基于概率理论的一个简单计算表明，粒子偏转 90°的机会是微乎其微的。此外，稍后可以看出，如果这种大角度偏转是由许多小的偏转组成，那么，这种大角度偏转的α 粒子对各种角度的分布并不遵守预期的概率定律。大角度偏转是由于单次原子碰撞的设想似乎是有道理的，因为第二次同样碰撞而产生大角度偏转的概率在大多数情况下是很小的。一个简单的计算显示，原子必须具有强电场的核心，才能在单次碰撞中产生如此大的偏转。[2] 钋元素散射实验
J. J. Thomson（汤姆森）提出了一种理论来解释带电粒子在通过很薄的物质时产生的散射。他假设原子是由带 N个负电荷的粒子构成，伴随着相同数量的正电荷，均匀地分布在整个球内。负电荷粒子（如β 粒子）在穿过原子时的偏转归结为两个原因——（1）分布在原子内负电荷的斥力， （2）原子内正电荷的吸引力。粒子在经过原子时的偏转假设是很小的，尽管在与一个很大质量m碰撞后的平均角度为 m θ ⋅ ， 其中θ是对于单个原子的平均偏转。这表明，原子内部的电子数N可以通过观察带电离子的散射推断出来。这个混合散射理论的精确性在后来 Crowther 的一篇论文中做了实验检验。 Crowther 的实验结果明显地确认了Thomson（汤姆森）理论的主要结论，而且 Crowther 基于正电荷的连续性假设推导出，原子中的电子数大约是原子重量的三倍。[3] 约瑟夫约翰汤姆森