Rutherford đã thực hiện tác phẩm nổi tiếng nhất của mình sau khi nhận giải thưởng Nobel năm 1908. Cùng với Hans Geiger và Ernest Marsden vào năm 1909, ông đã thực hiện thí nghiệm GeigerTHER Marsden, chứng minh bản chất hạt nhân của các nguyên tử bằng cách làm chệch hướng các hạt alpha đi qua một lá vàng mỏng. Rutherford được truyền cảm hứng để yêu cầu Geiger và Marsden trong thí nghiệm này tìm kiếm các hạt alpha có góc lệch rất cao, một loại không được mong đợi từ bất kỳ lý thuyết vật chất nào vào thời điểm đó. Các độ võng như vậy, mặc dù hiếm, đã được tìm thấy, và được chứng minh là một hàm trơn tru nhưng có thứ tự cao của góc lệch. Chính sự giải thích về dữ liệu này của Rutherford đã khiến ông xây dựng mô hình nguyên tử của Rutherford vào năm 1911 rằng một rất nhỏ hạt nhân tích điện, bao gồm phần lớn khối lượng của nguyên tử, được electron khối lượng thấp quay quanh.