原子內部的結構到底是怎樣的呢？科學家們繼續著探究的步伐。英國物理學家盧瑟福是湯姆遜的學生，在湯姆遜的指導下，盧瑟福對各種射線進行了深入的研究，發現了帶兩個單位正電荷的氦離子，盧瑟福稱它為a粒子。
盧瑟福讓他的學生和助手用a粒子去轟擊金箔，利用螢光屏記錄那些穿過金箔的a粒子。按照湯姆遜的葡萄乾麵包模型，質量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質中，而a粒子是失去2個電子的氦原子，它的質量要比電子大幾千倍，當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的，而金原子中的正物質均勻分布在整個原子體積中，也不可能抵擋住a粒子的轟擊。也就說，a粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話，也僅僅是a粒子穿過金箔後稍微改變一下前進的方向而已。但是實驗的結果卻與他們的預期有很大的差異，雖然絕大多數的a粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小，但大約有
1/8 000的a粒子偏轉角大於90° ，甚至觀察到偏轉角等於150°的散射，稱大角散射。盧瑟福這樣形容他們當時的吃驚程度：這是我一生中遇到的最不可思議的事情。這就像你對著捲菸紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。
如何解釋這一反常現象呢？盧瑟福認為只有一個可能，那就是原子質量絕大部分都集中在一一個很小的核中。1911年， 盧瑟福根據a粒子散射實驗結果提出了「核式結構模型」:原子的中心有一個佔據了絕大部分質量的「原子核」。而在原子核的四周，帶負電的電子繞著原子核高速運動。這很像一個行星系統(比如太陽系),所以這個模型又被稱為「行星系統」模型。在這裡，原子核就像是我們的太陽，而電子則是圍繞太陽運行的行星們。
但是，這個看來完美的模型卻有著自身難以克服的嚴重困難。因為物理學家們很快就指出，根據傳統物理學的電磁理論，帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉，這個體系是不穩定的。兩者之間會放射出強烈的電磁輻射，從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價，它便不得不逐漸縮小運行半徑，直到最終「墜毀」在原子核上為止，整個過程用時不過一眨眼的工夫。對於這個穩定性的矛盾，盧瑟福並不諱言，他在自己論文的開頭就聲明：「在現階段，不必考慮原子的穩定性問題，因為顯然這將取決於原子的細微結構和帶電組成部分的運動。」