大約就在同時，盧瑟福開始研究原子的結構。在1904年，他證明射線是一種氦粒子流。同時他還發現這種粒子打在塗有硫化鋅的熒光屏上時會發光，這樣要數一數粒子的個數就方便了。
1908年，盧瑟福已經離開加拿大，回到了英國，到了曼徹斯特大學。在這裏他與兩個助手進行了一個新奇的實驗，這就是他與英國科學家馬斯登和德國科學家蓋革進行的“打靶”實驗。他們用鐳作“機關槍”，鐳輻射出的粒子就是“子彈”，用它“打靶”，這裏的“靶子”是金箔做成的。
但是，要看“子彈”打在什麼地方，則用一個熒光屏來顯示粒子的閃光。
根據原來的原子模型來預測，當粒子打到金箔上時，粒子都會穿過去，並幾乎均勻地打到熒光屏上。可是令人不解的是，從熒光屏上看到的現象不是這樣，雖然大部分粒子分布得比較均勻，但也有少數粒子“打偏”了，有的還偏得很厲害。盧瑟福還要助手看看，是不是有粒子被反彈回來。
助手們一查驗，果然有反彈回來的。這真有些令人費解了。
這是怎麼回事呢？經過反複實驗和不斷思索，盧瑟福認為原來的原子結構是不對的。可原來的模型是他的老師湯姆遜提出的。老師是應該受到尊敬的，但他的錯誤模型是不應保留的，當然，有錯誤的老師也應受到弟子們的尊敬。為此，盧瑟福提出了一個全新的模型。原子的中心有一個核，它集中了幾乎原子的全部質量，也就是說，原子核的質量幾乎與原子量相等，並且所攜帶的是正電荷。核外有一些電子繞核旋轉，電子帶負電荷。原子核所帶的正電荷與核外電子所攜帶的負電荷是相等的，所以整個原子是顯示電中性的。
有趣的是，原子核雖具有極大的質量，但它的體積卻很小。
打個比方說，原子核就像在一個大會堂中地上被丟掉的一個乒乓球。可見原子內部是空空如也。更形象的說法，原子像一個微型的太陽係，太陽坐鎮中心，外邊有行星圍繞著太陽旋轉。因此，原子更像是一個太陽係的縮影。
怎樣用盧瑟福模型解釋同位素呢？原子核的正電荷數恰好就是原子序數。這原子序數就像一個“座位號”，本來一個“座位號”隻能屬於元素的一個原子，可是由於原子世界“管理得不善”，在為各種元素的原子分配“座位號”時，結果許多同一種元素的原子都擁擠在一個“座位”上。當然，究竟是不是這樣的說法，盧瑟福的心裏還沒有底。
1913年，盧瑟福的學生、年輕的講師莫塞萊，開始研究X射線。他用X射線打擊各種原子，並把X射線的波長排列起來，發現不同元素的排列正好與在元素周期表中的排列一致。為此，他把這個排列序號叫做原子序數。他還發現，這個原子序數恰好是原子核的正電荷數。他的發現能夠說明在一個“座位號”上可以有多種原子，並且說明了它們是有“血緣”關係的。這也就說明了索迪的同位素概念。
這樣人們認識到，在十餘年的研究中所發現的數十種“元素”，不過是一些元素的同位素而已。到目前為止，地球上發現的各種元素的同位素總共有489種，其中穩定的同位素為264種，放射性同位素為225種；此外，還有人工放射性同位素2000多種。
莫塞萊出生在英國。他的父親是一位人類學家兼解剖學教授，不過莫塞萊4歲時父親就去世了。小莫塞萊並不想繼承父親的事業，而是對物理學發生了興趣，在牛津大學畢業後，就到了盧瑟福的身邊，成了盧瑟福年紀最小的學生，似乎也最聰明。他利用X射線搞清楚了原子內部的信息，並搞清楚了元素周期表的排序。
正當人們看到這顆新星冉冉升起時，第一次世界大戰爆發了。莫塞萊也像大多數熱血青年一樣，立即應征入伍，到軍隊任工程兵上尉，也許當時人們對科學的重要性還缺乏認識，讓這樣一位優秀的人才上了前線。他到土耳其參加了一場無足輕重的戰鬥，並糊裏糊塗地獻出了生命，這時他才27歲。也許他的死是第一次世界大戰中付出的最昂貴的代價之一了。的確，這場戰爭給全世界並未帶來好處，而英國就更不用說了。
放射性物質的研究使人們對物質的多樣性有了更多的認識，特別是對物質的微觀世界有了更深入的認識。這對後來的核能技術、示蹤技術的開發，以及對放射治療方法的研究與應用都打下了重要的基礎。