在汤姆逊发现电子的前一年，物理学上还有一个重大的发现，那就是法国物理学家贝克勒尔和比埃尔·居里、居里夫人发现了元素的天然放射性现象。
首先是伦琴发现了X射线，证明阴极射线照射玻璃管壁的时候，不仅产生了绿色的荧光，而且会产生一种穿透力很强的X射线，X射线使很多科学家发生兴趣，除汤姆逊之外，贝克勒尔也是其中之一。他很想知道，X射线同荧光究竟有什么关系。比如，荧光物质在受到太阳光照射发出荧光的同时，是否也会放出X射线呢？
贝克勒尔弄来了很多荧光物质，他选择了含铀矿石。试验方法也很简单：含铀矿石下面放一张用黑纸严密包着的照相底片，含铀矿石经太阳光照射后发出荧光，如果底片“安然无恙”，那就表明没有X射线放出；如果底片感光了，那就说明经太阳光照射的含铀矿石也能发出X射线。
1896年春天贝克勒尔开始试验。事情不巧，那几天天气不好，总是阴雨，不见阳光，他只好把准备好的含铀矿石和黑纸包着的底片一起放到抽屉里。几天之后，雨过天晴，贝克勒尔在正式进行试验之前，决定先把几张底片拿出冲洗，看看是否漏光失效。冲洗的结果使他大吃一惊，底片居然感光了，而且感光部分的形状正好同含铀矿石的形状完全一致。黑纸没有漏光，含铀矿石也没有受到阳光照射，那么，是谁使底片感光的呢？经过多次反复实验，证明使底片感光的是含铀矿石中的铀元素放出来的一种看不见的射线，这种射线的穿透力比X射线还强，而且不管外界条件如何改变，它总是不断地放出这种射线。
就这样，贝克勒尔虽然没有完成他预想的试验，但却意外地取得了一项有助于其他科学家更接近于了解原子究竟是什么的发现。人们把物质的这种自发地放出射线的现象叫做放射性现象，而铀就是人类找到的第一种放射性物质。
这项发现引起了另外两位青年物理学家比埃尔·居里和居里夫人的注意。他们深入地研究了铀的放射性现象，发现含钍的化合物也有放射性。在提炼纯铀的过程中，他们又发现作为原料的沥青铀矿的放射性比铀和钍强得多。这说明，铀矿石中除了含有放射性铀之外，一定还含有其他放射性比铀、钍更强的元素。
经过两年的努力，一种放射性比铀强400倍的新元素找到了，取名叫做钋。以后又经过4年的艰辛劳动，从30多吨铀矿石中，提炼到了0.1克另一种新元素——镭的化合物，镭的放射性比铀强几百万倍。放射性的发现告诉我们原子是可以分割的，且有自己的内部结构。
从放射性元素放射出来的射线究竟是什么呢？它们看不见、摸不着，不断地放射，似乎永不停息。
出生在新西兰的英国物理学家卢瑟福解开了这个谜。他让放射性元素发出的射线通过很强的磁场，结果分成了三部分，原来它是由三种射线组成的。第一种射线根本不受磁场的影响，笔直向前，说明它不是带电的粒子，而是一种像光一样的能量波，卢瑟福把它叫做γ射线，γ射线的穿透力很强。第二种射线会在磁场中偏转，偏转得比较厉害，偏转的方向与阴极射线相同，说明它是由带负电的粒子组成的。进一步的研究证明，这种射线就是同阴极射线一样的速度很高的电子流，卢瑟福把它叫做β射线。β射线的穿透能力比较强，能穿透大约半毫米厚的铝片。第三种射线也会在磁场的影响下偏转，但偏转的程度不如β射线大，偏转的方向与β射线正好相反，这说明它是一种带正电的粒子流，卢瑟福称它为α射线。α射线的穿透能力最小。一张纸片就可以把它挡住，1/50毫米的铝片它也穿不过去。
卢瑟福对α射线特别感兴趣。通过深入研究，他发现α射线是带有两个正电荷的粒子流，粒子的质量几乎等于氦原子的质量，很可能就是氦原子的正离子，即失去了两个电子的氦原子。
原子不像人们原先所想像的那么简单，它不仅是可以分割的，而且内部结构一定挺复杂。
卢瑟福的老师汤姆逊第一个发现了电子。原子里含有电子，那么原子的其他部分又是什么呢？
汤姆逊根据自己的实践经验，又借鉴了别人的研究成果，认定一个原子不可能仅仅由电子组成，因为不然的话，这些电子会“同性相斥”而全部散射开来，宇宙间也就除了看不见的电子之外什么也不存在了。
我们平时看到的物质原子全都是中性的，不带电。那么，原子的其他部分必然带有正电，以便与电子所带的负电相平衡。原子中每个电子所带的每个负电荷，必然在原子的其他部分中存在着一个与之相对应的正电荷。
那么这些正电荷又在原子的哪个部分呢？它们在原子中是怎样分布的呢？
1904年，汤姆逊根据元素化学性质的周期性，反复推敲出了一个“葡萄干蛋糕式”的原子模型。他认为，原子里带正电的部分是均匀地分布在整个原子球体之中的，而带负电的电子则在这个球体之中运动，就像一块蛋糕里夹着一些葡萄干一样。这个设想非常简单，但是设想是不是事实，还需要通过实践来检验。这项使命后来落到了汤姆逊的学生卢瑟福身上。
原子本身已微不可见，它的内部结构当然更加难以把握。卢瑟福和他的助手首先发明了一种“计数管”，可以数出通过α粒子的数目；α粒子打到硫化锌荧光屏上，还会闪现一下亮光。
根据汤姆逊的原子模型，α粒子通过“葡萄干蛋糕式”的原子时只能产生很小的偏转，因为在α粒子进入原子之前，中性的原子不会对它起作用；进入原子后，电子的质量只有α粒子的1/7000，α粒子同电子相撞，犹如一个大铁球同一个小玻璃球相撞一样，影响甚微。至于正电荷，由于它们均匀分布在整个原子中，力量分散，对α粒子的偏转也不会产生多大的影响。
卢瑟福开始是相信汤姆逊模型的，他想用实验来加以证实。实验装置很简单：用α粒子作“炮弹”，一片极薄的金属箔片作靶子，靶子后面是用来记录打靶结果的荧光屏。如果原子的内部结构真像汤姆逊所说的那样，那么，α粒子就能几乎不受任何阻碍，轻而易举地穿透金属箔片打到荧光屏上。
但是实验结果使卢瑟福大吃一惊：极少数的α粒子撞击金属箔片后的运动方向竟然发生了很大的偏转，有的甚至干脆被弹射回来。
经过多次观察，卢瑟福得出结论：平均每发射8000个α粒子，就有一个发生大角度的偏转或弹回。他把这种现象叫做α粒子的散射现象。
事实终于迫使卢瑟福来反对自己的老师了。事实证明，个别α粒子的大角度偏转或弹回，用汤姆逊模型是无论如何也解释不了的。原子不仅不是非常密实的球体，而且它内部的绝大部分空间是空着的。可以估算出来，原子中带正电的物质只有集中在一个极小极小的核心里，α粒子只有同这个距离它1/10000亿厘米、质量比它大许多倍的正电荷核心相遇时，才会发生那么强大的斥力，把α粒子弹向一边。
于是，卢瑟福提出了一个原子结构模型。这个模型就像一个微型的“太阳系”：“太阳”位于原子的中心，被叫做原子核；电子则像“行星”一样，绕着原子核急速旋转。不同的是在这个微型的“太阳系”里，“太阳”和“行星”都是带电的，“行星”都是一样的大小，支配着“微型太阳系”一切的是强大的电磁力而不是万有引力。
卢瑟福的原子有核结构模型得到了一系列实验的证实，终于成为原子结构的基本观点。