Em 1.911, Lord Rutherford e sua equipe de colaboradores utilizaram o polônio como fonte de partículas alfa. Esse elemento radioativo emite contínua e espontaneamente partículas alfa de seus átomos. Já se sabia que essas partículas eram dotadas de carga elétrica positiva, com massa 4 x 1.836 vezes maior que a dos elétrons, e eram emitidas com velocidade da ordem de 20.000 Km/s. Um fragmento de polônio funcionava como uma arma de fogo disparando projéteis; estes seriam as partículas alfa e a arma de fogo, o fragmento de polônio. As partículas alfa são invisíveis, porém, ao colidir em substâncias fluorescentes, como o sulfeto de zinco (ZnS), produzem cintilações que podem ser detectadas.

Um fragmento de polônio foi colocado no interior de um bloco de chumbo com um orifício através do qual saía um feixe de partículas alfa provenientes do polônio.

 Diante do feixe de partículas alfa foi colocada uma chapa recoberta internamente com material fluorescente (ZnS), para que nela se registrassem as cintilações provocadas pela colisão das partículas alfa. 

Colocando uma lâmina delgada (fina) de ouro (Au) interceptando o feixe de partículas alfa, Rutherford e seus colaboradores notaram que a grande maioria das partículas alfa atravessava livremente a lâmina, como se nada existisse em seu caminho, e continuava produzindo cintilações numa região da chapa fluorescente, o que indicava que as partículas alfa se propagavam na mesma direção, sem sofrer nenhum desvio. Ocasionalmente, porém, algumas partículas alfa eram desviadas de sua trajetória, ao atravessar a lâmina, e iam produzir cintilações em pontos afastados da região de incidência da grande maioria das partículas alfa. 

Muito raramente, algumas partículas alfa eram refletidas ao incidir sobre a lâmina de ouro.

Para esclarecer a passagem das partículas alfa através da lâmina delgada de ouro como se nada existisse em sua trajetória, Rutherford admitiu que a massa dos átomos constituintes da lâmina deveria estar concentrada em pequenos núcleos.

Para explicar o desvio de algumas partículas, Rutherford admitiu que esses núcleos teriam carga positiva; como as partículas alfa são positivas, as que passam muito próximo dos núcleos dos átomos da lâmina sofrem um desvio em sua trajetória, pelo fato das cargas de ambos, das partículas alfa e do núcleo do átomo de ouro serem positivas, elas repelem-se entre si.

As partículas alfa que colidiam frontalmente com o núcleo eram refletidas. Como o tamanho do núcleo é muito pequeno em relação ao tamanho do átomo, a probabilidade de uma partícula alfa passar próximo ao núcleo ou colidir frontalmente com ele é muito pequena. Por isso, a grande maioria das partículas alfa atravessava a lâmina de ouro sem sofrer desvio em sua trajetória. Finalmente, como a massa da partícula alfa é 4 x 1.836 vezes maior que a do elétron, ela não poderia sofrer desvios na colisão com ele. Imaginar um desvio da partícula alfa ao colidir com um elétron seria tão absurdo como imaginar um projétil disparado por uma arma de fogo ser desviado ao colidir com um grão de poeira em suspensão no ar.

Com essa experiência, Rutherford conclui que:  átomo é formado por um núcleo muito pequeno em relação ao átomo, com carga positiva, no qual se concentra praticamente toda a massa do átomo. Ao redor do núcleo localizam-se os elétrons neutralizando a carga positiva. Assim, ele "criou" seu modelo atômico.

Veja abaixo uma animação da experiência que Rutherford e seus colaboradores realizaram: