当让放射性元素发出的射线通过强磁场时，这三种射线便分道扬镳成为三股，朝一个方向弯曲得最厉害的是β射线，与它方向相反，稍稍弯曲的是α射线，而径直穿过磁场的是γ射线。这表明α、β射线都是由带电粒子组成的，且所带电荷方向相反，γ射线是不带电的。
贝克勒尔首先证明，β射线是由高速运动的电子流组成的。α射线则要复杂得多，卢瑟福花了整整6年时间，直到1908年，才搞清α粒子实质上是氦的原子核。γ射线是一种波长比X射线还要短的电磁波。
卢瑟福是一位物理学家，为了更好研究放射性物质，他和年轻的化学家索迪结为搭档。来自两个不同学科的科学家取长补短，很快就获得了累累硕果。
在研究放射性元素钍的时候，他们发现已经提纯了的氢氧化钍放置一段时间，放射性会增强，也就是说钍变成了放射性更强的元素，他们称之为钍X，钍X也不稳定，又会变成放射性不同的另一种元素……
这是什么原因呢？卢瑟福和索迪抓住这一现象不放，进行了深入研究。1902年，他们提出了元素衰变的理论，指出放射性元素是不稳定的，它不断放出射线，由母元素变成子元素，又由子元素变成孙元素……直至最后变成稳定的、没有放射性的元素为止。他们还找到了铀、钍等放射性元素的衰变系列。
元素衰变理论揭示了放射性现象的本质，打破了自古以来一直认为的原子是不可创生也不能毁灭的观念，有力地证明了一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。
1908年，卢瑟福因发现放射性衰变和在放射化学方面的成就，获得了诺贝尔化学奖。索迪也因发现放射性同位素的成就获1921年诺贝尔化学奖。
然而，卢瑟福的更伟大的发现则是在获得诺贝尔奖以后取得的，那就是提出了原子的有核模型。
原子结构的行星模型
电子的发现，放射性现象的发现都启示人们，原子内部一定有十分复杂的结构。
那么，原子内部的结构是什么样的呢？物理学家们提出了许多有关原子结构的模型，其中最有名的就是汤姆孙的果子面包模型。
汤姆孙认为，原子是由一个带正电荷的实体组成的，带负电荷的电子有规则地镶嵌在上边，就像葡萄干镶在面包上一样。电子一方面受到正电荷的吸引，一方面受到它们之间相互排斥的作用，而维持着平衡。这个模型能较好地解释许多化学现象。
开始卢瑟福也赞同这种无核模型。为了检验原子的结构，卢瑟福与他的两名助手盖革、马斯顿做了一个历史上非常有名的实验，那就是α粒子散射实验。
他们把一个放射源放在开有小孔的铅盒中，这样从这个小孔中就会射出一束很细的α粒子流，然后，让这束粒子流打在一块很薄的金箔上，金箔的后边放着一块硫化锌荧光屏，穿过金箔的α粒子打在上边会出现一个闪耀，因此用它可以记录α粒子的轨迹。
按照汤姆孙的模型，α粒子穿过金箔时应当发生小角度的散射，可是实验结果完全不是这样，大多数α粒子都畅通无阻地通过了金箔，径直打在荧光屏上；只有少数粒子发生了散射，而且都是大角度散射；个别的α粒子甚至被反弹了回来。
卢瑟福惊奇万分，他形容当时感到“就好像对着一张纸放了一发炮弹，而炮弹却被反弹回来打在自己身上那样难以置信”。卢瑟福为此苦苦思索了几个星期，从实验结果只能得出这样的结论，那就是原子内部有很大的空隙，因而绝大部分α粒子都能径直通过；少数α粒子发生大角度偏转，甚至被反弹回来，一定是碰到了质量远大于α粒子的、带正电荷的极小粒子的结果。因为α粒子是带正电的，同种电荷的粒子相互排斥。他通过精密实验和理论计算，得出原子的半径在100皮米左右，而原子核的半径为10-2～10-3皮米，也就是说原子核的半径只有原子半径的十万分之一到万分之一。
在大量实验的基础上，1911年卢瑟福提出了原子行星模型，那就是原子中有一个极小的核，它几乎集中了原子的全部质量和所有正电荷，原子核带有多少正电荷，核外就有多少个电子，它们就像太阳系中的行星绕太阳旋转一样绕着原子核运动。
卢瑟福的行星模型很好地解释了α粒子散射实验以及一系列化学、物理现象，因此很快为人们所接受。不过，卢瑟福的模型也不是尽善尽美的，后来，他的学生、著名的丹麦物理学家玻尔，应用量子力学，使这一模型变得更加完善了。
原子核的结构
原子是由电子和原子核组成的，那么原子核还可不可以再分呢？它又是由什么组成的呢？
既然一个电子带有一份电荷，人们自然想到，原子核很可能也是由带一份正电荷的粒子构成的，氢的原子核是最轻的原子核，它只带有一份正电荷，是否原子核就是由它们组成的呢？
1919年，卢瑟福用α粒子作炮弹，去轰击氮的原子核，结果发现，氮原子俘获了α粒子变成了氧原子，并且产生了一种新的射程很长、质量比α粒子更小，带一个正电荷的粒子，研究证明，这种粒子就是氢的原子核，人们把它称作质子。
这是在人类历史上第一次用人工方法实现了核反应，把一种元素变成了另一种元素，实现了炼金术士们“点石成金”的梦想，同时，也证实了原子核中存在着质子。
在卢瑟福之后，人们用α粒子轰击硼、氟、钠等轻原子，也都发生类似的核反应，放出一个质子。而周期表上所有元素的原子核的质量大体上都为质子的整倍数，因此，有人猜想原子核是由带正电的质子组成的。
但是这种猜想有着明显的矛盾，除了氢元素之外，所有元素原子核中的电荷数目并不等于它们的质量，例如氦的原子核质量是氢的4倍，可是只带有2个正电荷。于是有人提出，原子核是由质子和电子组成的，电子中和了一部分质子的电荷，使剩下的正电荷正好与核外电子数相等。但是这一假说也碰到了困难，它不能解释原子核自旋等现象。
科学家们在思索着，寻找着。
1920年，卢瑟福在圣诞节给儿童讲科学知识时提出了一个大胆的假说，原子中有带负电的电子，带正电的质子，为什么不可以有不带电的中性粒子呢？他还预言了这种中性粒子的性质——它能很容易地穿过物质。
大多数人对卢瑟福的预言抱着怀疑态度，有一个人，就是卢瑟福的学生查德威克却对此坚信不疑。他立即着手进行种种试验来捕捉这种中性粒子。但是10年过去了，这种中性粒子还是毫无踪影。
1930年，德国物理学家玻特和贝克尔在用α粒子轰击锂、铍等轻元素时，发现了一种贯穿力很强的辐射线，能穿过2厘米的铅板，他们认为这是γ射线。
1931年，法国物理学家约里奥？居里夫妇，也即居里夫人的女儿与女婿，对这一实验做了进一步研究，发现当这种射线射入含大量氢原子的物质石蜡时，会放出质子。实际上他们已经走到了发现中子的大门口，但由于囿于前人的研究成果，认为只有γ射线才是中性的，一个重大发现令人惋惜地失之交臂。
查德威克看到了约里奥？居里夫妇的研究报告，立即意识到这就是他寻找已久的中性粒子，他分析γ射线要想打出质子必需有高到难以想象的能量才行，只有质量和质子相近的中性粒子才能把质子轰击出来。他立即投入了紧张实验，终于证明这种不带电的中性粒子质量和质子十分相近，中子终于被发现了。
查德威克因发现中子，1935年获得了诺贝尔物理奖。
中子被发现后，德国物理学家海森堡和苏联物理学家伊凡宁科都提出，原子核是由中子和质子组成的。这种模型圆满地解释了原子质量与原子序数的关系、同位素现象及原子核的自旋现象，很快得到了人们的公认。
骇人的原子能
早在1901年，居里夫妇就发现，含有镭的放射性物质，温度比周围环境要高，这表明，镭在衰变的过程中放出了能量。居里还对这种能量进行了测定，一克镭一小时释放的能量为136卡。初看起来，这个能量不大，但是它能日复一日、年复一年地释放，镭的半衰期是1617年，如果把一克镭一万年放出的热量加在一起，将是一克木柴燃烧时放出热量的60万倍，可见这个能量之大！
卢瑟福和索迪在研究放射性元素衰变时，也注意到了放射性发生时伴随着能量的产生，他们指出，这种能量来自原子的内部，不仅放射性元素，普通元素的原子中也蕴藏着巨大的能量，只不过放射性元素内部的能量缓慢地泄漏出来。
小小的原子中怎么可能会蕴藏着这样巨大的能量呢？它们是从哪里来的？这个问题不久就在爱因斯坦提出的质能转换公式中找到了答案。
1905年，爱因斯坦在研究相对论时提出了著名的质能转换公式：E=mc2，其中E表示能量，m表示质量，c代表光速，为3×1010厘米/秒。
这个公式告诉人们，质量和能量是可以相互转换的，质量是能量的密集形式，一点点质量就可以转换为巨大的能量，因为光速的平方是一个很大很大的数值。这样我们就不难理解原子中为什么会蕴藏有那样大的能量了。
