Mimo że wiele cząstek alfa przeniknęło przez folię, tak jak oczekiwano, tor wielu z nich był znacznie odchylony, a niektóre z nich nawet się odbiły i wróciły w kierunku źródła promieniowania alfa.
W szczegółach, strumień promieniowania alfa, generowany przez rozpad radioaktywny radonu w ołowianym pojemniku z otworem, był skierowany na arkusz bardzo cienkiej złotej folii. Ekran pokryty siarczkiem cynku obserwowany pod mikroskopem był detektorem; ekran z mikroskopem mógł być obracany dookoła złotej folii, aby móc obserwować cząstki, których tor został odchylony o zadany kąt. Zgodnie z obowiązującym modelem Thomsona, cząstki alfa powinny być odchylone co najwyżej o kilka stopni; mierząc wzór rozproszonych cząstek oczekiwano uzyskania rozkładu ładunku wewnątrz atomu. Jednak zaobserwowano, że bardzo niewielki odsetek cząstek był odchylony o kąty znacznie większe niż 90 stopni. Cytując: