Para examinar a hipótese de Thomson e para determinar com maior exactidão a estrutura interna do átomo, Rutherford realizou uma série de experiências e em 1911 propôs o modelo nuclear do átomo, segundo o qual o átomo é composto por um núcleo carregado positivamente, no qual está concentrada a parte dominante da massa do átomo e por electrões que giram em volta dele em órbitas circulares bem definidas, tal como os planetas em volta do Sol (modelo planetário).

A carga positiva do núcleo é compensada pela carga negativa, resultante dos electrões, de modo que o átomo no seu todo é neutro. Portanto, o número de protões no núcleo é igual ao de electrões, daí o átomo passa a ser um sistema electricamente neutro (p⁺ = e^–).