Rutherford már 1906-ban észrevette, hogy az α -részecskék irányváltoztatás nélkül áthaladnak vékony fémfóliákon, de néhány közülük jelentősen eltérül. Ezek az első eredmények azt sugallták számára, hogy az anyag nem tömör, az atom belsejében egy erősen pozitív töltésű magnak kell lennie. Ez a mag képes eltéríteni az α -részecskéket, de csak akkor, ha azok elegendően közel haladnak el mellette.

Amikor 1909-ben kinevezték a manchesteri egyetem professzorává, munkatársai, E. Marsden (1889-1970) és H. Geiger (1882-1945) folytatták kutatásait. Azt vizsgálták, hogy a különböző irányokba mennyi α -részecske szóródik.

Egy vastag falú, henger alakú fémdoboz, a légritkításra szolgáló cső, mint tengely körül foroghatott. Ennek a fémhengernek a falába szerelték a cinkszulfid ernyővel ellátott mikroszkópot (A cinkszulfid felvillan, ha elektromosan töltött részecske ütközik bele). Geiger és Marsden ezeket a felvillanásokat számolta különböző irányokban.

Az α-sugárforrás egy vékony üvegfiolában lévő radioaktív anyag volt. A fiolát egy fémdobozba helyezték, amelynek falán található kisméretű lyukon keresztül léphettek csak ki az α-részecskék. Ezáltal egy keskeny nyalábot állítottak elő. Ezt a nyalábot irányították a vékony fémfólia felé. Különböző fémeket használtak, mint például platinát, ezüstöt és aranyat. A berendezésnek ez a része nem forgott, mert az ábrának megfelelően a tengelyhez volt rögzítve.

Az ernyőn számolt felvillanásokból meghatározták az α-részecskék százalékos eltérülését. Azt találták, hogy nagy részük irányváltoztatás nélkül haladt át a fólián. Az eltérülő α-részecskék száma nagyon gyorsan csökkent, ahogy egyre nagyobb eltérülési szöget vizsgáltak. Az igazán meglepő az volt, hogy néhány α-részecske (18000 részük) visszaverődött a fóliáról.

A Rutherford-kísérlet