Fue mediante el estudio de los rayos catódicos que se descubrieron los electrones, pero los rayos catódicos no eran los únicos rayos que aparecían en el tubo de Crookes, en dirección opuesta a ellos se detectó una nueva radiación, que recibió el nombre de rayos canales, puesto que al principio eran observados mediante perforaciones en el cátodo. Estos rayos tenían comportamientos casi simétricamente opuestos al de los rayos catódicos, razón por la cual Thomson propuso que se pasasen a denominar rayos positivos.
Experimentando con ellos se comprobó que podían atravesar fácilmente la materia, por lo que su tamaño sería menor que el de los átomos. También se observó que las partículas que formaban estos rayos tenían la misma carga que el electrón, pero del signo contrario, y que su masa era mucho mayor, se la llamó protón. Parecía probable que dentro del átomo hubiese igual número de protones que de electrones, ya que el átomo era neutro, la pregunta vital era saber cómo se organizaban estas dos partículas en el átomo.
Entonces vinieron los experimentos de Rutherford, ya había descubierto que las partículas alfa que aparecen en la radiactividad eran en realidad iones de helio cargados positivamente, así que supuso que bombardeando estas partículas contra los átomos de la materia podríamos inferir datos acerca de la distribución de las cargas en el interior del átomo, resultaba pues un buen experimento para aceptar o rechazar el modelo de Thomson. Por tanto dirigió un haz de partículas alfa contra una delgada placa de oro y contó (literalmente, en aquellos tiempos no había contadores automáticos y este trabajo debía hacerse a mano) las partículas dispersadas en las diferentes direcciones. La mayoría de las partículas continuaban en su dirección o eran levemente desviadas, como se esperaba si el modelo de Thomson fuese el correcto, pero cierto número de ellas era desviado muchos grados, y algunas incluso llegaban a rebotar.
Rutherford razonó que esto se podría explicar si la masa y la carga positiva de un átomo están concentradas en una región muy pequeña, en el centro del átomo, y se encontró la fórmula que explicaba la dispersión en el caso de que existiese ese
núcleo atómico, concordando con lo observado por Rutherford.
Por tanto, la nueva concepción del átomo consistía en una zona con más masa y cargada positivamente (compuesta por protones y neutrones, suposición de Rutherford basándose en los datos de carga-masa del protón, que no coincidían con la masa supuesta para el núcleo) y electrones girando en torno a ese núcleo, de modo similar al sistema solar, pero pronto se encontró una inconsistencia fundamental. Se sabía ya que una partícula cargada sometida a una aceleración radiaba, y por lo tanto perdía energía. Si los electrones estaban girando en torno al núcleo estaban sometidos a una aceleración, por tanto iban perdiendo energía por radiación y su distancia al núcleo tendría que ser cada vez menor, resultando que en poco tiempo caerían formando una espiral. El átomo no era estable.