Il a mené la célèbre expérience en feuille d'or en 1911, qui a démontré que:

* La plupart des particules alpha passaient directement à travers la feuille d'or, suggérant que les atomes sont principalement des espaces vides.

* Un petit nombre de particules alpha ont été déviées à de grands angles, indiquant la présence d'un noyau dense et chargé positivement dans l'atome.

Cette expérience a conduit Rutherford à proposer le modèle nucléaire de l'atome , qui indique que les atomes se composent d'un petit noyau dense et positivement chargé entouré d'électrons chargés négativement.