当玻尔来到曼彻斯特后，卢瑟福正在通过实验研究原子中的电荷是如何分布的。他决定通过分析带电粒子在被像子弹一样射向原子时它们偏转的方式来研究这个问题。他选择的带电抛射物是阿尔法粒子——这种粒子是他自己发现的，我们今天知道它们只是带正电的氦原子核。
卢瑟福尚未设计出他的原子模型，但他认为原子与汤姆孙提出的一种模型高度一致。质子和原子核在当时还不为人所知，在汤姆孙的模型中原子由一种散布的正电荷流体构成，在这种流体中有足够多的微小电子循环往复来抵消正电。由于电子的质量很小，卢瑟福估计它们会像碰到炮弹的弹珠一样不会对阿尔法粒子的路径产生多大影响。他试图研究的正是这种质量更大的正电荷流体——以及它们的分布方式。
卢瑟福的装置很简单。用放射性物质（例如铀）发出的一束阿尔法粒子照射一张金箔。金箔后方安放了一块靶屏。当阿尔法粒子穿过金箔后，将击中这块屏幕，产生极其微弱的闪光点。在靶屏前方放置着一面放大镜，人们需要花费精力去记录闪光点出现的位置并判断金箔中的原子使阿尔法粒子发生偏转的程度。
尽管卢瑟福闻名世界，但他的工作以及工作环境却谈不上令人神往。他的实验室位于一个潮湿、昏暗的地下室，天花板和地板上布满了管子。天花板很低，你极有可能会撞到脑袋，地板很不平坦，在你头上的疼痛还没消失前可能就会被地板上的管子绊个跟头。卢瑟福缺乏做测量工作的耐性，有一次他只尝试了两分钟就咒骂着放弃了。而另一方面，他的德国助手汉斯·盖革却是一个从事乏味工作的“魔鬼”。不过，他之后发明的盖革计数器将否定他这种技能的价值。
根据卢瑟福的估计，大多数重量大、带正电的阿尔法粒子会从金原子之间的缝隙中穿过金箔，但由于距离这些原子太远它们并不会发生明显的偏转。但他推测，少数阿尔法粒子在穿过一个或者更多的原子时将受到它们散布的正电荷的排斥，因而会略微偏离直线路径。这个实验将阐明原子的结构，但这凭借的只是运气，而不是按照他曾经预想的方式。
刚开始，盖革收集到的所有数据与卢瑟福的预期相符，并且看来好像也与汤姆孙的模型一致。接下来在1909年的某一天，盖革建议为一个名叫欧内斯特·马斯登的年轻大学生布置一项“小型研究”任务，好让他练手。卢瑟福当时正在参加数学系关于概率论的课程，他意识到有极少数阿尔法粒子或许会以某种更大的角度发生偏转，超出了他仪器设计的探测范围。于是他建议盖革让马斯登对他们的实验进行调整以研究这种概率。
马斯登开始寻找盖革之前一直在寻找的发生较大偏移的粒子——甚至是更大的偏移，如果这真的会发生的话，这将和卢瑟福“所知的”关于原子结构的一切相矛盾。在卢瑟福看来，这个任务几乎就和浪费时间无异。换句话说，对一名大学生来说这是一项不错的研究任务。
卢瑟福的金箔实验
马斯登尽职尽责地观察着阿尔法粒子一次又一次地穿过金箔，和预期的一样，它们没有发生激动人心的偏转。但接下来真正难以想象的事情终于发生了：在一个远离中心位置的探测屏上出现了闪光点。最终，在马斯登观察的数以千计的阿尔法粒子中，只有为数不多的一些发生了较大角度的偏转，但其中有一到两个被反弹了回来，几乎如同回飞镖一样。这就够了。
听到这个消息后，卢瑟福说这是“我人生中发生过的最不可思议的事情。它不可思议的程度就像是你对着一张卫生纸发射了一枚15英寸的炮弹，它却弹回来击中了你”。他之所以会如此反应，是因为他的数学知识告诉他，在金箔中一定存在某种微小到难以想象但能量十足的东西导致了那种罕见的极大偏转。因此卢瑟福终究没有阐明汤姆孙模型的细节——他发现汤姆孙模型是错误的。
在马斯登展开实验之前，这项任务似乎很古怪，这正是费曼告诫我不要参与的那种活动。然而，在被完成后的一个世纪，它被普遍地赞誉为是一项精彩的实验。确实如此，假如没有它，“玻尔原子”也就极有可能不会出现，这也就意味着一套连贯的量子理论——假如它还会出现的话——只会在许多年后出现。这转而又会对我们所说的技术进步产生极大的影响。它还将会推迟原子弹的发展，首先，原子弹将不会投向日本，因而挽救了无数无辜日本平民的生命，但这或许又会导致无数士兵在盟军进攻中丧生。它也将推迟许多其他发明的出现，比如晶体管，计算机时代也将因此延后出现。我们很难说清楚假如没有展开那个似乎毫无意义的大学生实验，它究竟会产生怎样的影响，但我们可以很有把握地说，今天的世界将会大不一样。从这件事情上我们又一次看到了存在于一个古怪疯狂的研究项目和一个改变一切的创新观点之间那条微妙的分界线。
最后，在卢瑟福的监督下，盖革和马斯登又进行了无数次更进一步的实验，观察到了超过百万分之一的闪光点发生了极大偏转和被反弹回来。他将根据这些数据提出他关于原子结构的理论，这个理论和汤姆孙的理论的不同之处在于，尽管它依然把电子描绘成沿着同心轨道进行运动，但正电荷将不再是分散的，而是集中在原子微小的中心。然而，盖革和马斯登将很快分道扬镳。他们将在“一战”中各为其主，接着，他们又会为“二战”的敌对方提供科学技术：马斯登研究一种雷达新技术；而作为纳粹的支持者，盖革将研究德国原子弹。
卢瑟福原子模型是我们小学就学到的模型，在这个模型中，电子就像行星围绕太阳那样围绕原子核做轨道运动。和很多科学概念一样，当它被总结为课堂模型那样的常见比喻时，它看上去并不复杂，但这个概念真正的高明之处正是在我们把它提炼成这样一种简单画面的过程中那些消失的“技术”复杂性。直观画面很有帮助，但真正把一种物理学观点带到人们生活中的关键是它传达出的数学推理。因此，物理学家必须不仅是梦想家，还得是技术员。
对于梦想家卢瑟福来说，这个实验表明原子的绝大部分质量和它所有的正电荷一定集中在它的中心，这是一个小到难以置信的带电物质球体，它的密度大到仅仅一小杯那种物质的重量就是珠穆朗玛峰的100倍。他后来把原子的核心称为“原子核”。（你和我的体重远远比不上珠穆朗玛峰的重量，这证明原子核只是原子中心一个极小的点，这也造成了原子中存在着大量的空间。） 在汤姆孙(左图)和卢瑟福原子模型中预测的阿尔法粒子偏转路线技术员卢瑟福通过仔细研究复杂的、技术性极强的数学模型发现，如果他想象的这个画面是正确的，他的实验就将产生和他的团队观察到的现象完全一致结果。大多数速度快、质量大的阿尔法粒子在穿过金箔时不会碰到原子微小的中心，其结果就是它们只会受到轻微的影响。同时，极少数阿尔法粒子——那些靠近核子的——将遭遇一个强烈的力场，因而会发生较大的偏转。这个力场的强度在卢瑟福看来一定像是科幻小说里才有的东西，就像我们今天在科幻电影中看到的那种力场。但即使我们无法在宏观世界中创造这样的力场，它们却的确存在于原子当中。
卢瑟福发现的重点是原子核中的正电荷集中在它的中心，而不是分散开的。从另一方面讲，他把电子描绘成像行星围绕太阳那样围绕着原子核运动，这就完全错了——而他是知道这一点的。
一个问题是，这种太阳系式的类比忽略了太阳系中行星间的相互作用，它也同样忽略了原子中不同电子之间的相互作用。这两种相互作用并不完全一样。行星具有巨大的质量，但却没有净电荷，它们通过引力相互作用；电子带电，但质量很小，它们通过电磁力相互作用。引力是一种极其微弱的作用力，因此一颗行星对另外一颗行星施加的拉力小到出于实用目的可以忽略不计的程度；然而，电子之间相互施加的电磁斥力却是如此强劲，以至于它们将很快扰乱那些漂亮的圆形轨道。
另一个明显的问题是，做圆周运动的行星和电子都会释放出能量波——行星释放的是引力能量，电子释放的是电磁能量。同样还是因为引力极其微弱，在我们的太阳系存在的这几十亿年里，行星损失的能量微乎其微。（实际上，这种效应在爱因斯坦的引力理论在1916年预测到它之前根本不为人知。）从另一方面讲，因为电磁力是如此强劲，根据麦克斯韦的理论，卢瑟福做轨道运动的电子将释放出它们所有的能量，并在大约在一亿分之一秒的时间里坠入原子核。换句话说，如果卢瑟福的模型是正确的，我们所知的宇宙将不会存在。
如果有什么你认为极有可能颠覆一个理论的描述，这种描述就是宇宙并不存在。那为什么还要认真对待它呢？ 这展示了物理学在发展过程中的另一个重点：大多数理论并不是宏大领域的决定性理论，而只是用以解释一种特定情况的具体模型。因此，即使它们有缺点，并且某种模型在某些情况下也会失效，但它毫无疑问是有用的。
就卢瑟福原子模型来说，研究原子的物理学家意识到他的模型对原子核做出了正确的描述，并认为未来的某些实验还将会揭示出重要的遗漏的事实，这些事实将解决电子如何发挥作用以及原子为何稳定的问题。人们不清楚的是，原子需要的并不是一个更聪明的解释，而是一个革命性的解释。然而，皮肤苍白、性格谦逊的尼尔斯·玻尔却有不同的看法。对于年轻的玻尔来说，卢瑟福原子和它的理论的矛盾就如同隐藏在干草堆里的金针。他下定决心要找到它。
