על מנת להסביר תופעה זו ותוצאות ידועות אחרות החלו להתפרסם מודלים שונים למבנה פנימי זה. ב-1904 פרסם ג'יי ג'יי תומסון, אחד ממגלי האלקטרון, מודל אטום הידוע בשם מודל עוגת הצימוקים. לפי מודל זה האטום הוא כדור הומוגני בעל מטען חיובי ובתוכו האלקטרונים בעלי מטען שלילי פזורים כמו צימוקים בעוגה, אך מודל זה נחל הצלחה חלקית בלבד כהסבר לתופעות הנדרשות. ב-1911 ערכו הנס גייגר וארנסט מרסדן ניסוי הידוע כניסוי רתרפורד, שבו הדגימו שקרינת אלפא הפוגעת בעלה דקיק של חומר, מוסחת באופן הסותר את מודל עוגת הצימוקים. בעקבות הניסוי הסיק ארנסט רתרפורד שהמטען החיובי באטום ומרבית המסה שלו מתרכזים בגרעין קטן מאוד, והאלקטרונים סובבים סביבו באופן אנלוגי למערכת השמש, פרט לכך שהם מוחזקים במסלולם על ידי הכוח החשמלי במקום כוח הכבידה. מבנה זה כונה המודל הפלנטרי, אולם, כפי שרתפורד ידע, הוא אינו יציב: על פי הפיזיקה הקלאסית כוחות הדחייה בין האלקטרונים אינם מאפשרים מערך יציב לאורך זמן. בנוסף אלקטרון בתנועה צפוי לפלוט קרינה, לאבד אנרגיה וליפול לעבר הגרעין.