確定原子結構核模型的關鍵性實驗。20世紀初，已經認識到中性原子中含有帶負電荷的電子和品質占原子的極大比重並帶有等量正電荷的部分，但兩者是如何結合成原子的還是一個謎。J.J.湯姆孫曾設想，原子中的正電荷均勻分佈在整個原子球體內，而電子則嵌在其中。1911年，E.盧瑟福通過α粒子散射實驗，否定瞭湯姆孫模型，建立瞭原子的核模型。
盧瑟福用高速α粒子撞擊原子。當兩者碰撞時，由於電子的品質僅為α粒子的1/8 000左右，電子對α粒粒子的運動影響很小，影響主要來自質量大的帶正電荷的部分，它與α粒子間有庫侖排斥力。按湯姆孫模型，正電荷均勻分佈在比α粒子大得多的體積中，α粒子可穿過原子而運動方向變化不大，其中穿過正中心者方向完全不變（圖a）。但實驗表明，部分α粒子被原子散射後偏轉角很大（圖b）。據此，盧瑟福認為原子中帶正電荷部分集中在大小與α粒子相近（直徑約10−14米）的體積中形成原子核，而電子則分佈在核的周圍。被撞擊原子的原子核質量比α粒子的大得多，極少數與原子核“對頭碰”的α粒子將從原路折回（偏轉角180°），其他的α粒子的路徑越靠近原子核，偏轉的角度就越大。理論計算的結果與實驗一致，表明瞭原子的核模型的正確性。
α粒子散射示意圖