رادرفورد و همکارانش باریکه اى از ذره هاى داراى بار مثبت را (از جنس هستهٔ اتم هلیم که به آن ذرهٔ آلفا گفته می شود) بر سطح ورقه اى نازک از جنس طلا فرو تاباندند.
رادرفورد بنابر مدل تامسون انتظار داشت که تمامی ذره های آلفا، با انحراف بسیار اندکی از ورقهٔ طلا بگذرند. در عمل نیز بیشتر این ذره ها بدون انحراف یا با انحراف اندکی از ورقهٔ طلا مى گذشتند و در برخورد با صفحهٔ فلوئورسان، در پشت آن، جرقه هاى
نورانى تولید مى کردند. با وجود این، برخى از ذره های آلفا در هنگام خروج از ورقهٔ نازک طلا، در زاویه هاى بزرگ منحرف و پراکنده مى شدند و حتى تعدادى از آنها نیز به عقب برمى گشتند! رادرفورد پس از انجام این آزمایش و بر اساس مدل تامسون و شناختی که از باریکهٔ ذرات آلفا داشت، گفت:
«مثل آن بود که گلولهٔ توپى را به ورقهٔ نازکى از کاغذ شلیک کنید و با شگفتى مشاهده کنید که پس از برخورد گلولهٔ توپ با سطح کاغذ، گلوله بازگردد» این ذره ها باید با چیز پرجرمى برخورد کرده باشد. اما با چه چیزى؟ رادرفورد استدلال کرد که ذره هاى بدون انحراف باید از قسمت هایى از ورقه گذشته باشند که تهى بوده باشد، در حالى که ذره هاى با انحراف شدید از مرکزهایى بسیار چگال و داراى بار مثبت منحرف شده اند. وی سرانجام نتیجه گرفت باید هسته اى چگال و داراى بار مثبت در مرکز هر
اتم باشد که با مدل اتمی تامسون به طور آشکار مغایرت داشت.
بنا بر مدل رادرفورد، اتم دارای یک هستهٔ بسیار چگال و کوچک15-10 ≈ شعاع (متر) و با بار مثبت است که با تعدادی الکترون در فاصله هایی به نسبت دور احاطه شده است. در حالت طبیعی، اتم از نظر الکتریکی خنثاست؛ زیرا بار مثبت هسته، درست مساوی مجموع بار منفی الکترون هایی است که هسته را دربرگرفته اند. مدل اتمی رادرفورد که آن را مدل اتم هسته ای یا مدل هسته ای اتم می نامند،
