В 1907 году он стал профессором в Манчестерском университете. Под руководством Резерфорда Ханс Гейгер (1882–1945) и 22-летний студент Эрнест Марсден (1889–1970) в 1909 году изучили рассеяние α-частиц тонкой металлической фольгой. Они заметили, что изредка α-частицы рассеиваются на углы, превышающие 90°. Результат был поразительным, сам Резерфорд сказал: «Это было самым невероятным событием, которое когда-либо случилось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом по куску папиросной бумаги, а он бы вернулся и попал по вам». Он продолжал: «Я не верил, что (α-частицы) будут (рассеиваться), поскольку мы знали, что α-частица очень быстрая и массивная, с большой энергией».
Итак, при прохождении α-частицы через металлическую фольгу, атом в ней каким-то образом вызывает значительное рассеяние. На самом деле угол рассеяния, превышающий 90°, возможен только тогда, когда предмет, вызывающий рассеяние (атом металла), тяжелее, чем рассеиваемый объект (α-частица).
В модели атома Томсона (печенье с шоколадной крошкой) электроны находятся в большой рассредоточенной толще положительного заряда. Однако α-частица в 8000 раз тяжелее электрона, так что электрон никак не может вызвать рассеяние. Поэтому остается положительный заряд, который должен быть более сконцентрирован, чем представлял Томсон. Через полтора года, в 1910 году, Резерфорд раскрыл тайну. Вместо того чтобы быть рассредоточенным вокруг атома, положительный заряд оказался очень компактным центральным телом, вокруг которого обращаются электроны. Более того, именно в этой центральной части заключена бо2льшая доля массы атома — в противовес утверждению Томсона, что она приходилась на электроны.
Резерфорд пошел дальше и вывел математическую формулу для процесса рассеяния, которую подтвердила серия экспериментов, проведенных, опять же, Гейгером и Марсденом. Формула Резерфорда еще больше впечатляет, если учесть, что он был экспериментатором, особо не заботившемся о теоретической физике и не обладавшем экспертными знаниями в ней; но ни один из физиков-теоретиков не ответил на вызов. Вспомним, что Гейгер и Марсден случайно заметили обратное рассеяние α-частиц. Другими словами, большинство α-частиц проходило вперед, едва отклоняясь от начальных траекторий. Это означало, что между центральным положительным зарядом, или ядром, и электронами, роящимися вокруг него, довольно много пространства.
Модель Резерфорда не сразу завоевала популярность. Оказалось, что даже сам Резерфорд не воспринимал ее серьезно. На первом Сольвеевском конгрессе — грандиозной международной научной конференции, прошедшей в 1911 году — он ничего не сказал о своей новой атомной модели. Год спустя он закончил книгу «Радиоактивные вещества и их излучение» в 670 страниц, посвятив результатам исследований α-частиц всего лишь 3 страницы. Возможно, Резерфорд не считал эти открытия революционными, но был один человек, который понял их важность и перевел атомную модель Резерфорда на новый уровень.