1910年12月，卢瑟福对大角度散射过程的受力关系进行计算，得出一个新的原子结构设想。经过反复思索研究，于1911年4月下旬写出论文《α和β粒子被物质散射和原子结构》，于5月发表。他认为α粒子是在同作为靶的金属箔的原子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子核，它对带正电荷的α粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转；原子核的体积很小，其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一，核外是很大的空的空间，带负电的、质量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动。卢瑟福在论文中提出他的原子有核模型可从几个方面验证，盖革和马斯顿1912年所做的实验证实了原子核的存在。1913年莫斯莱定律的发现以及1919年阿斯顿（Ast-on，F.W.1877-1945年）用质谱仪测定各种元素的同位素进一步证实了卢瑟福的原子模型。
但是，卢瑟福原子模型由于同经典电磁理论存在着尖锐矛盾而遇到困难，所以发表后没有很快引起国内外的重视。1913年玻尔把量子论用于原子，与卢瑟福有核原子模型结合起来，使它发展成为卢瑟福－玻尔原子模型，迅速受到各国科学界的高度重视，大大提高了卢瑟福和玻尔的声誉。从1898年发现镭到1911年发现原子核和原子有核结构，出现了根本变革以往的原子论的划时代科学硕果。原子有核结构的发现意味着原子物理学和核物理学的出现，也是现代结构化学即将诞生的前奏。
元素周期律的健全
化学发展到18世纪，由于化学元素的不断发现，种类越来越多，反应的性质越来越复杂。化学家开始对它们进行了整理、分类的研究，以寻求系统的元素分类体系。
一、门捷列夫发现元素周期律前对元素分类的研究
1.1789年，法国化学家拉瓦锡在他的专著《化学纲要》一书中，列出了世界上第一张元素表。他把已知的33种元素分成了气体元素、非金属、金属、能成盐之土质等四类。但他把一些物，如光、石灰、镁土都列入元素。
2.1829年，德国化学家德贝莱纳（Dobereiner，J.W.1780-1849年）根据元素的原子量和化学性质之间的关系进行研究，发现在已知的54种元素中有5个相似的元素组，每组有3种元素，称为“三元素组”，如钙、锶、钡、氯、溴、磺。每组中间一种元素的原子量为其他二种的平均值，例如，锂、钠、钾，钠的原子量为：（69＋39.1）／2＝23。
3.1862年，法国的地质学家尚古多（Chancourtois，A.E.B.1820-1886年）绘出了“螺旋图”。他将已知的62个元素按原子量的大小次序排列成一条围绕圆筒的螺线，性质相近的元素出现在一条坚线上。他第一个指出元素性质的周期性变化。
4.1863年，英国的化学家纽兰兹（Newlands，J.A.R.1837-1898年）排出一个“八音律”。他把已知的性质有周期性重复，每第八个元素与第一个元素性质相似，就好象音乐中八音度的第八个音符有相似的重复一样。
二、元素周期律的发现
1869年3月，俄国化学家门捷列夫（1834-1907年）公开发表了论文《元素属性和原子量的关系》，列出了周期表，提出了元素周期律——元素的性质随着元素原子量的递增而呈周期性的变化。他在论文中指出：“按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。”“原子量的大小决定元素的特征。”“无素的某些同类元素将按他们原子量的大小而被发现。”
1869年12月，德国的化学家迈耶尔（Meyer，J.L.1830-1895年）独立地发表了他的元素周期表，明确指出元素性质是它们原子量的函数。在他的表中，出现了过渡元素族。
为什么门捷列夫理论能战胜前期和同期理论，独占元素周期律的发现权呢？分析科学史上的这一重大案例，可知门捷列夫理论在以下几方面较其他理论优越：
1.材料丰富
在前门捷列夫时期，发现的元素及有关的材料较少，分类工作都是局限于部分元素，而不是把所有元素作为一个整体考虑，因此也就不能很好地解释过去和现有的实验事实和化学现象。
在门捷列夫时期，发现的元素已占全部元素（现周期表上元素）的一半，且掌握了这些元素的有关知识，如物理性质、化学性质、化合价等，测定元素性质的方法得到了重大突破，特别是原子量的测定工作不断取得进展。1860年，在世界化学家大会上，化学家们同意形成统一的原子量测定方法和系统的原子量表。门捷列夫出席了这次大会，并接受了阿佛加德罗的分子论。这促使他能提出正确的元素周期律。
2.自洽性好
纽兰兹机械地按当时测定的原子量大小排列元素，没有估计到原子量数值存在错误，又没有考虑尚未发现的元素，因此很难将事物的内在规律清楚地揭示出来。
理论内部的混乱引来了其他人的嘲笑和讥讽。而迈耶尔犯了同样的错误。门捷列夫却对一些原子量进行了大胆地修改，从而消除理论内部的矛盾。如当时公认金的原子量为169.2，金就应排在锇198.6，铱196.7的前面，而门捷列夫认为应排在这些元素后面。经重新测定这些元素的原子量分别为：锇190.9，铱193.1，铂195.2，金197.2。事实证明了门捷列夫的正确，另外，他还大胆地修改了铀、铟、镧、钇、铒、铈、钍的原子量。
3.预见性好
门捷列夫在表中对尚未发现的元素留下了4个空格，在1871年的新表中又列出6个空格，且预言了这些元素的存在及它们的性质。迈耶尔虽然也在表中留有空格，但他没有对未知元素的性质作出预言。
1875年，法国化学家布阿博德朗（Boisbandran，P.E.L.1838-1912年）在分析比里牛斯山的闪锌矿时发现一种新元素，命名为镓（法国的古名叫加里亚）。这只是又发现了一个新元素而已——第65个元素，本身并无精彩出奇的地方。然而，令镓的发现者吃惊的是一封来信，笔迹不熟，来自“圣·彼得堡”。来信说，他所找到的镓的性质并不完全对，特别是该金属的比重不应当是布阿博德朗所求出的4.7 而应当在5.9-6.0之间。署名是“圣·彼德堡大学教授狄米德里·门捷列夫”。布阿博德朗是世界上独一无二的手中拿着刚发现镓的人，从没见过镓的俄罗斯教授怎么能这样说呢？
布阿博德朗感慨万千，但毕竟他是一个真正的科学家，他用严谨的科学态度来对待此事。他重新测定了纯净镓的比重，是5.96，愤慨变为钦佩。布阿博德朗在一篇论文中写到：“我认为没有必要再来说明门捷列夫先生的这一理论的伟大意义了。”这是科学史上破天荒第一次事先预言一个新元素的发现。
1879年，瑞典化学家尼尔森（Nilson.L.F.1840-1899年）发现了经门捷列夫预言并详细描述了的第二个元素“类硼”。尼尔森把它叫做钪，他写到：俄罗斯化学家的思想已经得到了最明白的证明了。
1885年，德国的化学家文克列尔（Winkler.C.A.1838-1904年）发现了元素锗。门捷列夫在1870年就曾经特别详细地预言过这个他叫“类硅”的元素性质。文克列尔的论文一问世，人们就把它与15年前门捷列夫的预言相比，有令人感到惊奇的巧合。发明者本人说到：未必再有例子能更明显地证明元素周期学说的正确性了。
1895年英国化学家拉姆塞（Ramsay.W.1852-1916年）等人发现了气体元素氦、氩、氙等一系列惰性气体元素；1899年，居里夫人等人发现钋、镭等放射性元素，它们都按门捷列夫周期表中预定的位置就座。另外，在Mn一列留下的空位，后由电力公司老板不惜重金去探索这一元素。1925年，德国化学家诺塔克（Noddack.W.1893-1960年）夫妇发现了铼——一种制白热电灯的极好灯丝的元素。
这些都是科学思维的伟大胜利。
因此，对此理论的发现，有人作了这样的描述：在科学大道上，有一块宝石，它就是元素周期律。拉瓦锡、德贝莱纳、纽兰兹、迈耶尔等人从它身边走过，都把它拿起来看看，然后又把它扔掉。是门捷列夫吸取前人经验，仔细研究它，使之散发出本身的光彩，最后他拿着这块宝石，登上了化学的高峰，统一了整个无机化学。
为了纪念门捷列夫，101号元素被命名为钔（Mendelevium）门捷列夫成功地把过去遭到嘲笑和怀疑的的元素周期律排列的研究变成为任何人都无可置疑的事实，使宇宙间的所有元素都能如此精彩地进行排列。这是继原子理论后对庞杂的化学实验资料的又一次大规模的综合，是人们对元素概念认识的又一次深化和飞跃。它揭示了各种化学元素和化合物之间，各种不同原子间的内在联系。它表明分布于整个自然界的化学元素并不是偶然的、杂乱无章地出现，而是存在于一个严整的、有着内在联系的系统之中。元素周期律统一了整个无机化学，它又作为基本定律贯穿于化学领域的各个分支，它的科学思想渗透于边缘学科和交叉学科之中，改变着人们的思维方法与认识手段。它揭示了自然界的普遍联系的思想，应用了从量变到质变的辩证法规律，这是科学史上的一个伟大勋业，具有伟大的科学意义和哲学意义。
但是，在门捷列夫当时科学发展的水平上，只能把原子量作为元素最基本的性质，按照它的大小来排列各元素的顺序，认为元素的性质随着元素原子量的递增而呈周期性的变化。高中化学课本中对元素周期律的表述是：“元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性的变化。”这就是元素周期律的现代定义。
随着人们对物质结构的研究不断的深入，化学又迈上了一个新的台阶。以门捷列夫元素周期律的发现，以及《元素的性质与原子量的关系》的发表，化学的近代发展时期进入高潮；这时候物理学中电子与放射性的发现，使物质结构的概念有了新的释意。化学以研究物质的结构为目标，则进入了它发展的现代阶段。