Rutherford chuyển đến năm 1907 đến Đại học Victoria của Manchester (ngày nay là Đại học Manchester) ở Anh, nơi ông và Thomas Royds đã chứng minh rằng bức xạ alpha là hạt nhân helium. Rutherford đã thực hiện tác phẩm nổi tiếng nhất của mình sau khi ông trở thành người được giải thưởng Nobel. Vào năm 1911, mặc dù ông không thể chứng minh rằng đó là tích cực hay tiêu cực, ông đưa ra giả thuyết rằng các nguyên tử tập trung vào một hạt nhân rất nhỏ, và do đó đã đi tiên phong trong mô hình nguyên tử của Rutherford, thông qua khám phá và giải thích tán xạ Rutherford bằng thí nghiệm lá vàng của Hans Geiger và Ernest Marsden. Ông đã thực hiện phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên vào năm 1917 trong các thí nghiệm trong đó hạt nhân nitơ bị bắn phá bằng các hạt alpha. Kết quả là, ông đã phát hiện ra sự phát xạ của một hạt hạ nguyên tử, vào năm 1919, ông gọi là "nguyên tử hydro", nhưng vào năm 1920, ông đặt tên chính xác hơn là proton.