大约就在同时，卢瑟福开始研究原子的结构。在1904年，他证明射线是一种氦粒子流。同时他还发现这种粒子打在涂有硫化锌的荧光屏上时会发光，这样要数一数粒子的个数就方便了。
1908年，卢瑟福已经离开加拿大，回到了英国，到了曼彻斯特大学。在这里他与两个助手进行了一个新奇的实验，这就是他与英国科学家马斯登和德国科学家盖革进行的“打靶”实验。他们用镭作“机关枪”，镭辐射出的粒子就是“子弹”，用它“打靶”，这里的“靶子”是金箔做成的。
但是，要看“子弹”打在什么地方，则用一个荧光屏来显示粒子的闪光。
根据原来的原子模型来预测，当粒子打到金箔上时，粒子都会穿过去，并几乎均匀地打到荧光屏上。可是令人不解的是，从荧光屏上看到的现象不是这样，虽然大部分粒子分布得比较均匀，但也有少数粒子“打偏”了，有的还偏得很厉害。卢瑟福还要助手看看，是不是有粒子被反弹回来。
助手们一查验，果然有反弹回来的。这真有些令人费解了。
这是怎么回事呢？经过反复实验和不断思索，卢瑟福认为原来的原子结构是不对的。可原来的模型是他的老师汤姆逊提出的。老师是应该受到尊敬的，但他的错误模型是不应保留的，当然，有错误的老师也应受到弟子们的尊敬。为此，卢瑟福提出了一个全新的模型。原子的中心有一个核，它集中了几乎原子的全部质量，也就是说，原子核的质量几乎与原子量相等，并且所携带的是正电荷。核外有一些电子绕核旋转，电子带负电荷。原子核所带的正电荷与核外电子所携带的负电荷是相等的，所以整个原子是显示电中性的。
有趣的是，原子核虽具有极大的质量，但它的体积却很小。
打个比方说，原子核就像在一个大会堂中地上被丢掉的一个乒乓球。可见原子内部是空空如也。更形象的说法，原子像一个微型的太阳系，太阳坐镇中心，外边有行星围绕着太阳旋转。因此，原子更像是一个太阳系的缩影。
怎样用卢瑟福模型解释同位素呢？原子核的正电荷数恰好就是原子序数。这原子序数就像一个“座位号”，本来一个“座位号”只能属于元素的一个原子，可是由于原子世界“管理得不善”，在为各种元素的原子分配“座位号”时，结果许多同一种元素的原子都拥挤在一个“座位”上。当然，究竟是不是这样的说法，卢瑟福的心里还没有底。
1913年，卢瑟福的学生、年轻的讲师莫塞莱，开始研究X射线。他用X射线打击各种原子，并把X射线的波长排列起来，发现不同元素的排列正好与在元素周期表中的排列一致。为此，他把这个排列序号叫做原子序数。他还发现，这个原子序数恰好是原子核的正电荷数。他的发现能够说明在一个“座位号”上可以有多种原子，并且说明了它们是有“血缘”关系的。这也就说明了索迪的同位素概念。
这样人们认识到，在十余年的研究中所发现的数十种“元素”，不过是一些元素的同位素而已。到目前为止，地球上发现的各种元素的同位素总共有489种，其中稳定的同位素为264种，放射性同位素为225种；此外，还有人工放射性同位素2000多种。
莫塞莱出生在英国。他的父亲是一位人类学家兼解剖学教授，不过莫塞莱4岁时父亲就去世了。小莫塞莱并不想继承父亲的事业，而是对物理学发生了兴趣，在牛津大学毕业后，就到了卢瑟福的身边，成了卢瑟福年纪最小的学生，似乎也最聪明。他利用X射线搞清楚了原子内部的信息，并搞清楚了元素周期表的排序。
正当人们看到这颗新星冉冉升起时，第一次世界大战爆发了。莫塞莱也像大多数热血青年一样，立即应征入伍，到军队任工程兵上尉，也许当时人们对科学的重要性还缺乏认识，让这样一位优秀的人才上了前线。他到土耳其参加了一场无足轻重的战斗，并糊里糊涂地献出了生命，这时他才27岁。也许他的死是第一次世界大战中付出的最昂贵的代价之一了。的确，这场战争给全世界并未带来好处，而英国就更不用说了。
放射性物质的研究使人们对物质的多样性有了更多的认识，特别是对物质的微观世界有了更深入的认识。这对后来的核能技术、示踪技术的开发，以及对放射治疗方法的研究与应用都打下了重要的基础。