再创奇迹
促使卢瑟福进入α射线大角散射实验的直接原因是盖革在实验中发现了α射线的反常散射现象。
卢瑟福到曼彻斯特大学工作后，在盖革的帮助下，为了计数α粒子，一举研制成功了用盖革的名字命名的计数器，这是盖革与卢瑟福的首次成功的合作。盖革曾于1906年在德国埃朗根大学取得哲学博士学位，他的学位论文是关于气体导电方面的。不久，到曼彻斯特后，他与卢瑟福开始了很有成效的合作研究。由于开始时采用的计数器触发管和计数室的长度不合适，云母片和计数室中气体分子使α射线产生了散射现象，影响了计数工作。这使他们认识到散射现象的消除对研制计数器十分重要。这就使盖革在计数实验还没完成时，转向α射线的散射问题。
于是，盖革又开始了α射线的散射实验。在一次实验中，他发现用α粒子轰击某原子时，出现“径迹急转弯”，这是α射线反常散射的一个征兆。他还发现散射角在很大程度上取决于靶材料的原子量，散射角与材料的厚度和材料的原子量成正比例，与α粒子速度成反比。这样，卢瑟福和盖革决定采用原子量大的金再做散射实验。
19世纪末20世纪初，科学家们用于研究放射性的仪器大都很简陋，不外乎就是验电器、平行板电容器和手摇真空泵，像限静电计被认为是最高级的电测仪器。据说，当年金箔、悬丝和火漆就是实验室必备的基本器材。在记录方面，照相术起了很大作用，但是底片记录的是长时间的统计效果，不利于分析。到了1908年，开始发明了一种闪烁镜方法，用以观测α粒子。
这个闪烁镜实际上是一小块硫化锌屏幕，α粒子打到它上面，会发出微弱的闪光，实验者用显微镜对准硫化锌屏，一个一个地记数，再移动显微镜的位置，分别读取不同位置的闪烁数，就可以对α粒子的分布作出精确统计。闪烁计数法虽然是其他方法所不能比拟的，但是闪烁法要求观测者眼睛始终盯在闪光屏上，全神贯注，一个不漏地记数。在整个实验过程中都要守在暗室中，精神十分紧张。连续工作几个小时，就会头昏眼花，劳累不堪。就是在这样艰苦的条件下，卢瑟福和他的助手们，不顾自己的劳累辛苦，用闪烁读数的方法，靠一个一个计数，作出了发现原子核的伟大贡献。
盖革研究α粒子散射的实验本来是用铝箔放在α粒子的途中起散射作用的，后来发现金箔的效果更好，就促使他系统地研究起各种不同的物质对α射线的散射作用。
有一天，卢瑟福来到他们的实验室，了解他们工作的进展情况，盖革对卢瑟福说：“先生，马斯登已经来了一段时间了，是否应该派给他一些工作？”卢瑟福回答说：“我也正在想这个问题，这样吧，叫他做一个α粒子从金属表面直接反射的实验，去找碰回头的α粒子。我可以告诉你结论，不会有碰回来的α粒子的，应该很容易用实验证实。”
马斯登在盖革的帮助下，认真地进行观测。他们的装置非常简单，锥形玻璃管内充满镭射气作为α射线源，管口用云母片封好，α粒子可以由此穿出，硫化锌闪烁屏所放的位置只有α粒子经反射金属片时才能打到屏上，否则无法直接打到。出乎他们意料的是，当他们把反射金属片放在管口1厘米处，竟立即观察到了闪烁。这使盖革和马斯登非常兴奋，他们对卢瑟福说：“我们找到了碰回来的α粒子！”
这个结果使卢瑟福非常惊讶，因为按照当时一般所接受的汤姆逊模型，正电物质分布于整个原子中，对于能量相当高的α粒子而言是相当“松软”，因此不应当产生大角度的偏转。汤姆逊本人也作过估算，在他的模型中，一次的碰撞所能产生的偏转角的数量级仅约1°～2°度。实验的结果确实是绝大多数的α粒子仅偏转了1°～2°度，那么对大于90°的偏转，甚至碰回头的（偏转180°）的α粒子，又作何解释呢？当时一般所接受的解释是有些α粒子经过多次的碰撞，始终往一个方向上偏离，最后造成了大角度的偏离，这种概率是很小的，而在实验上测得大角度偏转的α粒子也很少，所以这种解释也大体被接受。但卢瑟福对这种解释很不放心，他让盖革和马斯登继续做精确的定量实验。
1909年3月的一天，盖革和马斯登把镭的衰变物沉淀在一小板上，让它放射的α射线经金箔反射到硫化锌荧光屏上。金箔对α粒子的阻止力相当于2毫米厚的空气时，有一半的入射α粒子被反射，当采用1平方厘米的铂箔作为反射物时，统计反射α粒子的数目，α源的发射总数可根据镭的衰变物的剂量折算。经过比较，他们得出结论，入射的α粒子中，每8000个有一个要反射回来。
当盖革和马斯登把这个数字报告给他们的老师时，伟大的实验物理学家卢瑟福先生感到非常惊讶。后来他提到这件事时说：“这是我一生中最不可思议的事件。这就像您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来一样不可思议。”但这毕竟是事实，千真万确的事实！不由得卢瑟福不去思考。
多次碰撞理论可以解释小角度散射或偶尔的大角度散射。但卢瑟福做了一下估算，对于盖革他们实验中金箔的厚度而言，每进来1035000个α粒子，大约会有一个α粒子被碰回来，而实验中测得的结果却大约为8000个中就有一个被碰回来，这就是说，α粒子大角度偏转的概率远大于汤姆逊模型所预测的。按照汤姆逊模型，无论是极轻的电子，还是均匀分布的正电荷，都不足以把α粒子反弹回去。卢瑟福为此苦思了很长时间，并深深感到α粒子的大角散射实验说明汤姆逊的原子模型是错误的，真正的原子需要有一个新的模型。
伟大理论的诞生
1910年，卢瑟福开始把散射实验事实与新的原子模型联系起来。他想到了被人忽视的土星模型，如果原子中的正电物质是集中在很小的区域内，那么对α粒子而言形成较“硬”的散射中心，也许能在一次的碰撞中使α粒子产生大角度的偏转。
于是，他设想了一个原子结构模型：原子中有一个体积很小、质量很大、对正电荷有很强偏转能力的核，核外则是一个很大的空间（相对于原子核直径），核的体积很小，但却几乎集中了原子的全部质量；电子很轻、很小，带负电，它们分布在原子核外的空间里结核运动，原子仿佛是一个小太阳系。
卢瑟福的这一伟大设想震惊了世界。
原子核就这样被发现了，起初人们并没有直接看到它，也没有直接测出核的直径，量出核的质量，判定核的电荷。只是靠了α粒子的撞击，从撞击的效果得到了核存在的信息。卢瑟福并没有停留在假想和猜测的水平上，他带领助手们一次又一次地进一步实验，从测量的数据可以准确地推算出核的直径，核的质量和核的电荷。
卢瑟福就是这样，用的是最简陋的设备和直观的方法，却获得了最宝贵的来自微观世界的重要知识。他的核式结构为原子物理学和核物理学的发展奠定了最重要的基础。