W latach 1911–1912 Rutheford przedstawił Towarzystwu Królewskiemu wnioski ze swych eksperymentów i zaproponował nową teorię jądra atomowego.

W 1909 roku odbył się najważniejszy eksperyment przeprowadzony przez Rutherforda i jego współpracowników. Hans Geiger i Ernest Marsden ostrzelali cienką złotą folię promieniowaniem alfa. Według uznawanego wówczas modelu Thomsona, cząstki alfa powinny przechodzić prosto lub zmieniając nieznacznie kierunek ruchu, ale nie mogą odbijać się od atomów. Okazało się, że znaczna część cząsteczek alfa przechodzi bez zmiany kierunku ruchu, ale część cząstek odbijała się od folii.

Odkrycie umożliwiło zbudowanie nowego modelu (model atomu Rutherforda), w którym atom składa się z niewielkiego (w stosunku do rozmiarów atomu) jądra, skupiającego większość masy atomu i mającego ładunek dodatni, oraz powiązanych z jądrem elektronów o ładunku ujemnym. Rutherford przyjął, że w jądrze znajdują się także elektrony, równoważące część ładunku dodatniego protonów. Neutrony nie były wówczas znane, zostały odkryte w 1932 roku.