伟大的物理学家卢瑟福在剑桥度过的最后一段日子里，主要的工作是鉴别铀所放射的各种射线究竟是什么，他在此期间进行了一系列的光辉实验。在实验中，卢瑟福注意到铀辐射也会引起空气游离，为了区别X射线和铀辐射，他想办法比较它们在穿透能力上的差别。他用铝片对铀辐射的射线进行吸收，在实验过程中，他发现了轴的辐射是复杂的，在它的辐射中至少存在两种不同类型的辐射——一种很容易吸收，另一种穿透力很强。卢瑟福从希腊文的“alphabata”的头几个字母的读法，称之为“alpha”和“bata”射线，读作“阿尔法”和“贝塔”，记作α和β射线。
继卢瑟福发现了α和β射线后，1900年人们发现铀的辐射中还有一种成分，其穿透本领比β射线还要强得多，在磁场中不受磁场作用而偏转，这说明这种射线是不带电的，这种辐射成分后来叫做γ射线。
α射线的奥秘
卢瑟福在刚刚发现α、β射线的时候，就意识到α射线是一种很重要的射线，因为它很容易被物质吸收，当证明了β射线是高速的电子流后，卢瑟福便集中精力于搞清α射线的本质的研究上。为此，他做了大量的实验，其中关键性的实验有两个，一个是电磁偏转实验，另一个是光谱实验。
卢瑟福在进行了大量的准备工作之后，决定进行一个重要的实验，只有这个实验才能验证组成α射线的α粒子，以及组成β射线的β粒子的带电性如何。
那是1903年的某一天，卢瑟福当时的实验条件非常艰苦，根本没有什么闪烁荧屏可观察射线的轨迹，更没有什么读数器之类的高级计数仪，当时卢瑟福手里有的只是一只简易的金箔验电器。然而，实验就在这样艰苦的条件下进行着，他让放射性物质铀放出的α、β射线经过一个大磁场后，最后到达金箔验电器。在实验中，卢瑟福发现，β射线在经过磁场后，径迹出现偏转，也就是说β射线能被磁场偏斜，但却没有见到α射线的径迹变化。但是，从实验的其他现象卢瑟福基本上确定了α射线是由快速运动的带正电荷的粒子组成的。那么，为什么α射线经过磁场后，它的运动径迹没有发生偏斜呢？卢瑟福仔细地分析了所有的实验结果，最后他想到其原因可能有两种：一种情况是α射线是由不带电荷的α粒子组成，因为我们很清楚地知道，只有带电粒子在磁场中才能发生偏转，既然α射线经过磁场没有发生偏转，就说明它不带电荷；另一种可能是α射线是带电荷的，而且它的动能很大，磁场的能量不足以能使它发生偏转。有了这样清晰的思路，卢瑟福便有的放矢地进行下一步的工作了。
卢瑟福让射线从放射源由下向上经过20片平行隔板到达验电器，而氢气由上向下通过平行隔板。氢气的作用非常重要，它可以抑制β射线和γ射线的游离作用，然后加磁场使射线偏转，这时α射线经过磁场后偏斜量的百分比与所加磁场的强度成正比例。为了判断α射线所带电荷的正负，在隔板上加一块多缝的金属板，遮去空隙的一部分，改变磁场的方向，总可以找到一个位置，使游离截止于更低的磁场，由此来判断α射线的电荷的极性。再在相邻隔板上加电压，又可使游离停止，这样，可以得到α粒子的速度和荷质比。从实验结果的一些证据分析看，卢瑟福已初步推断出α粒子是氦（He）原子。
1906年，卢瑟福在蒙特利尔西山西北高地买了一块土地，这地方面向山涧湖泊，风景秀丽宜人，他准备在这里建造一所住房，以便长期在麦克吉尔从事他的研究工作。但是，一个新的具有很大吸引力的聘任职务使他无法平静下来。曼彻斯特大学物理教授舒斯特因病退休，辞去了兰沃尔西物理讲座教授职务，学校决定请卢瑟福接任。1907年5月17日，卢瑟福先生告别了工作9年的蒙特利尔，于20日抵达英国，在这里开始走上他的科学新旅程。
卢瑟福在麦克吉尔大学工作的几年中，曾对α射线作了大量研究。到了曼彻斯特，他同盖革和马斯登等人愉快地合作，他们自己动手制作计数器，计数器的制作成功给他的研究带来了很大的帮助，使他的实验能够进入到定量的研究阶段。在盖革和马斯登等人的帮助下，使得对α粒子的计数，电荷的本质研究取得了突破性的成果。他们用一系列的科学实验雄辩地证实了“α粒子在失去电荷后就是一个氦原子”。
从1903年开始，卢瑟福着手研究α射线的本质，直到1908年，伟大的实验物理大师从未停止过自己的研究工作，到了曼彻斯特，他在助手们的帮助下又开始了新的重要实验——光谱实验，他要进一步地用光谱分析的方法来确定α射线的成分。
他的实验装置主要是一个α射线管，管的玻璃壁极薄，只有0.01毫米厚，管径约1.27毫米，内封装有镭射气。镭射气能够发射α粒子，α粒子可以穿过玻璃壁而射气不能。α射线管外面套一层玻璃管收集α粒子。然后让系统放置两天，等α粒子收集足够多后，用水银把α粒子通过时形成的气体压缩到放电管中。果然，从放电管得到的光谱显示氦黄线。为了排除怀疑，卢瑟福把原来放镭气的管用氦气充满，在相同的条件下观察放电管的谱线，却找不到氦黄线。这就可以肯定，薄玻璃壁是漏不出氦原子的。这样，卢瑟福用可靠的实验事实证明了α粒子是带正电的氦原子。
通过实验，卢瑟福掌握了α粒子的本质、性质和作用。α射线是一种吸收率高、穿透力弱的粒子流，在磁场或电场中不会产生偏斜，卢瑟福称它为“未被一个磁场或电场产生出可鉴别的偏斜的射线”。形成射线的α粒子是以很大速度抛射的电荷物质，具有较高的能量，确切地说，α粒子是带电的氦原子。就是这样，经过繁重而艰巨的劳动，经过长年不懈的努力，卢瑟福对α射线的性质得到了全面而准确的了解，并确认α射线在放射性中所起的作用是非常重要的。于是，他选择了α射线这一关键性的武器来揭开原子的内在奥秘。
在多年的α粒子性质的探测实验中，卢瑟福不止一次地发现α射线被物质阻滞和散射的问题。在1904年～1905年的许多实验中，让α射线通过不同厚度的空气和金箔后，α射线的速度会渐渐地慢下来，并且在磁场中的偏斜的曲率半径不是变大而是变小了，而且他还发现了α射线通过空气的谱线较宽并缺乏明显界限。所有这些新出现的问题都不能不引起卢瑟福的思考，他准备做新的实验来解决这些问题。
几年来，卢瑟福和他的助手盖革一直在不停地做着一连串的关于α射线的实验。这次，他们用多层厚为0.0031毫米的铝箔作为α射线的靶，用α射线对它进行轰击，他们边轰击，边渐渐地增加铝箔的厚度，当加到12层时，α射线的速度为无铝箔时的速度V0的0.64倍，这时，α粒子的能量相当于原有能量的41%。他们继续实验，继续研究，结果又发现，当α粒子速度降至0.64V0时，α粒子便停止了使气体离子化，也就是说，α射线的速度为原始速度的0.64倍这个速度值是α射线使气体离子化的临界速度，也是α粒子能够打入原子的最低临界速度。
接着，卢瑟福对盖革说：“换一下靶子再试试看。”盖革按着他的指示，用云母将铝箔换下来，然后让射线通过云母，从测量结果他们发现，由于散射，α射线产生了谱带宽度，α射线从它们的径迹约偏斜2°。这就是他们在实验中发现的α射线的小角散射现象。他们断定：将有一些α射线通过大得多的角度偏斜是完全可能的。这样，卢瑟福和他的助手们不但发现了用云母作靶的α射线的小角散射现象，同时也认识到α粒子在临界速度以上时能打入原子内部，并能引起α射线的散射，散射的结果将引起原子内电场的反应。所以，我们可以通过散射的情况和原子内电场的反应来探索原子的内部结构。对，解决问题的思考就是这样！卢瑟福和他的助手们信心百倍地工作着，他们断定：较大的散射角完全可能存在，问题就在于能否测量到。