Yirminci yüzyılın başında bilim insanları, atomların içinde negatif yüklü elektronların bulunduğunu biliyordu. Atomlar bir bütün olarak yüksüz olduğuna göre, bu negatif yükü dengeleyen pozitif bir yükün de bulunması gerekiyordu. Ancak bu yüklerin atomun içinde nasıl düzenlendiği bilinmiyordu. Elektronu keşfeden İngiliz fizikçi J. J. Thomson, atomun pozitif yüklü bir küre olduğunu ve elektronların bu kürenin içine, bir kekin içindeki üzümler gibi dağılmış olduğunu öne sürdü. Bu model, üzümlü kek modeli olarak bilinir.

Thomson'ın öğrencisi olan Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford, bu modeli sınamak için bir deney tasarladı. Rutherford, radyoaktif maddelerden yayılan ve alfa parçacığı adı verilen pozitif yüklü parçacıkları inceliyordu. Bu parçacıklar oldukça ağır ve hızlıydı. Rutherford'un yönlendirmesiyle çalışan iki genç araştırmacı, alfa parçacıklarını son derece ince bir altın levhaya gönderdi. Altın, çok ince levhalar hâline getirilebildiği için tercih edilmişti. Levhanın çevresine ise parçacıklar çarptığında küçük ışık parıltıları oluşturan bir ekran yerleştirildi.

Thomson'ın modeline göre atomun pozitif yükü bütün atoma yayılmış durumdaydı. Bu nedenle ağır ve hızlı alfa parçacıklarının altın levhadan neredeyse hiç sapmadan geçmesi bekleniyordu. Deneyin ilk sonuçları bu beklentiyle uyumluydu. Alfa parçacıklarının büyük çoğunluğu levhadan doğrudan geçiyordu. Ancak araştırmacılar, parçacıkların çok küçük bir kısmının büyük açılarla saptığını ve hatta bazılarının geldikleri yöne doğru geri sektiğini gözlemlediler.

Rutherford bu sonuç karşısındaki şaşkınlığını daha sonra ünlü bir benzetmeyle anlattı. Ona göre bu, bir kâğıt mendile ateşlenen büyük bir top mermisinin geri dönüp ateşleyen kişiye çarpması kadar inanılmaz bir olaydı. Thomson'ın modelinde, ağır alfa parçacıklarını geri döndürebilecek kadar güçlü ve yoğun bir yük birikimi bulunmuyordu. Bu sonuç, atomun yapısına ilişkin görüşlerin kökten değiştirilmesi gerektiğini gösteriyordu.

Rutherford, deney sonuçlarını dikkatle inceleyerek 1911 yılında yeni bir atom modeli önerdi. Bu modele göre atomun pozitif yükünün tamamı ve kütlesinin neredeyse tamamı, atomun merkezindeki son derece küçük bir bölgede toplanmıştı. Rutherford bu bölgeye çekirdek adını verdi. Elektronlar ise bu çekirdeğin çevresinde, çok daha geniş bir alanda hareket ediyordu. Atomun büyük bölümü ise boşluktan oluşuyordu. Alfa parçacıklarının çoğunun levhadan doğrudan geçmesi bu boşluk sayesindeydi. Yalnızca çekirdeğe çok yaklaşan az sayıdaki parçacık, büyük açılarla sapıyor ya da geri sekiyordu.

Çekirdeğin atoma göre ne kadar küçük olduğunu anlamak için bir benzetme yapılabilir. Eğer bir atom büyük bir futbol stadyumu büyüklüğünde olsaydı, çekirdek stadyumun ortasındaki küçük bir bilye büyüklüğünde olurdu. Elektronlar ise tribünlerin en uzak köşelerinde dolaşırdı. Bu da, bize katı görünen masaların, duvarların ve bedenimizin aslında büyük ölçüde boşluktan oluştuğu anlamına gelir. Nesnelerin katı görünmesi ve birbirinin içinden geçmemesi, atomlar arasındaki elektriksel kuvvetlerden kaynaklanır.

Rutherford'un modeli büyük bir ilerlemeydi; ancak önemli bir sorunu da vardı. Klasik fizik yasalarına göre çekirdeğin çevresinde dönen elektronların sürekli enerji yayması ve giderek yavaşlayarak çekirdeğe düşmesi gerekiyordu. Bu durumda atomların kararlı olmaması ve saniyenin çok küçük bir kesrinde çökmesi beklenirdi. Oysa atomlar son derece kararlıydı. Bu sorun, Rutherford'un laboratuvarında bir süre çalışan Danimarkalı fizikçi Niels Bohr tarafından ele alındı.

Bohr, 1913 yılında kuantum kavramlarını kullanarak yeni bir model önerdi. Bu modele göre elektronlar, çekirdeğin çevresinde yalnızca belirli enerji düzeylerine karşılık gelen yörüngelerde bulunabiliyordu. Elektronlar bu yörüngelerde enerji yaymadan dolaşabiliyor, yalnızca bir yörüngeden diğerine geçerken belirli miktarda enerji soğuruyor ya da yayıyordu. Bohr'un modeli de daha sonra kuantum mekaniğinin gelişmesiyle yerini daha karmaşık bir tabloya bıraktı; ancak atomun yapısını anlamada önemli bir basamak oldu.

Rutherford'un çalışmaları, nükleer fiziğin doğuşunun da başlangıcı sayılır. Rutherford daha sonra çekirdeğin içinde pozitif yüklü proton adı verilen parçacıkların bulunduğunu gösterdi. Ayrıca bir elementi başka bir elemente dönüştüren ilk yapay nükleer tepkimeyi gerçekleştirdi. Bu başarı, simyacıların yüzyıllar boyunca ulaşamadığı hayali farklı bir biçimde gerçeğe dönüştürmüştü. Rutherford, radyoaktivite üzerine yaptığı çalışmalar nedeniyle daha önce Nobel Kimya Ödülü'nü almıştı.

Rutherford'un altın levha deneyi, beklenmedik bir sonucun bilimde ne kadar değerli olabileceğinin klasik bir örneğidir. Parçacıkların küçük bir kısmının geri sekmesi kolayca önemsenmeyebilirdi. Ancak bu küçük anomali, atomun kalbinin keşfedilmesine yol açmıştır.