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O cientista observou que a grande maioria das partículas alfa atravessava a lâmina de ouro em linha reta, incidindo sobre a tela fluorescente diretamente à frente do feixe. Umas poucas
foram desviadas de seu caminho ao atravessar a lâmina, incidindo lateralmente na tela fluorescente. E outras, também poucas, voltaram, como se fossem refletidas pela lâmina de ouro, incidindo na tela fluorescente que ficava diante dela.
Esses fatos mostraram a Rutherford que os átomos não poderiam corresponder ao modelo sugerido por Thomson, ou seja, eles não poderiam ser maciços. Ao contrário, deveriam apresentar um grande espaço vazio, já que a maioria das partículas alfa conseguia atravessar a lâmina de ouro, como se nada houvesse à sua frente.
Segundo ele, no átomo também deveriam existir regiões onde estariam concentradas partículas positivas, capazes de provocar a repulsão de partículas com mesmo tipo de carga e que se aproximassem demais delas, o que explicava porque algumas partículas alfa sofreram desvios.
Ele deu o nome de prótons a essas partículas positivas e a região que as concentra recebeu o nome de núcleo. O grande espaço vazio ao redor do núcleo seria a região que ele chamou de eletrosfera, onde estão localizados os elétrons (partículas negativas). Realizando outros experimentos, Rutherford concluiu que o raio do núcleo é aproximadamente 10.000 a 100.000 vezes menor que o raio do átomo, ou seja, a eletrosfera de um átomo constitui sua maior parte.
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