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En 1910 un físico neozelandés. Ernest Rutherford, que estudio con Thomson en la Universidad de Cambridge, utilizó partículas alfa para demostrar la estructura de los átomos. Junto con su colega Hans Geiger y un estudiante de licenciatura llamado Ernest Marsden. Rutherford efectuó una serie de experimentos utilizando láminas muy delgadas de oro y de otros metales, como blanco de partículas a provenientes de una fuente radiactiva. Ellos observaron que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, o bien con una ligera desviación. De vez en cuando, algunas partículas alfa eran dispersadas (o desviadas) de su trayectoria con un gran ángulo. En algunos casos, las partículas alfa regresaban por la misma trayectoria hacia la fuente radiactiva. Éste fue el descubrimiento más sorprendente ya que. Según el modelo de Thomson, la carga positiva del átomo era tan difusa que se esperaría que las partículas a atravesaran las láminas sin desviarse o con una desviación mínima, El comentario de Rutherford sobre este descubrimiento fue el siguiente:
Resultó tan increíble como si usted hubiera lanzado una bala de 15 pulgadas hacia un trozo de papel de seda y la bala se hubiera regresado hacia usted.