盡管盧瑟福對原子的內部結構有了一些認識，但是還有許多問題沒有找到答案。原子核的物質組成，電子的負電荷是靠什麼來平衡的，盧瑟福又做了另一個試驗來解答這些問題。
這次的實驗基本上與第一次的實驗相同，隻是這一次α粒子的目標改變了，是一些氮氣，而不是金箔，盧瑟福希望這次α粒子能撞開原子核。他使用的一個很重要的裝置是威爾遜（1927年諾貝爾物理獎獲得者）研製的雲室。雲室是一個充滿水蒸汽的壺底的活塞突然被拉低時，就會使裏麵的空氣膨脹，溫度降低。在這一瞬間，如果一些帶電荷的粒子通過雲室，水蒸汽就會凝結在它們的路徑上。拍下的照片會顯示出粒子路徑上水滴的痕跡。
這次實驗和盧瑟福料想的結果一樣，絕大多數α粒子筆直通過氮原子的殼，隻有極少數粒子撞上核，崩開了。這又進一步證明了原子除了中央有一個小核外，大部分是空的。盧瑟福還注意到，當他以α粒子撞擊氮氣時，產生了一個帶正電荷的氫原子。我們現在都知道，氫原子通常在核裏麵僅有一個質子，而沒有中子，外麵有一個繞核旋轉的電子。如果把電子移走了，氫原子就隻剩下一個帶正電的質子。但是在當時，就是像盧瑟福這樣世界頂尖的科學家也不知道這一點。這個實驗給盧瑟福一個很大的啟示：每一種元素的原子都有一個或更多的這種帶正電荷的氫原子。盧瑟福把這種帶正電荷的氫原子叫做質子。
通過上述一係列的研究，盧瑟福提出了一個更完整的原子模型：原子的中央是由很重的帶正電的質子構成的核。遠離這個核的是很輕的帶負電的電子。電子繞著核轉，像行星繞著太陽轉一樣。原子核與原子相比實在太小了，將10000多個原子核排成一條直線，也僅有原子的半徑那麼長。如果將原子放大10000億倍，原子就會像一間大廳那麼大，而其中的原子核直徑也僅有1毫米，跟一個芝麻差不多大小。而電子卻在離它們幾十米之外的地方繞著它高速旋轉。表麵上看起來非常密實的物質，如鐵、鑽石，實際上大部分都是空無一物的空間。原子重量幾乎都集中在原子核上，而原子核的體積卻僅有1立方厘米左右。因此，粒子在物質中飛行和宇宙飛船在太空中航行差不多。毫無疑問，盧瑟福的原子模型比湯姆生的葡萄幹麵包原子模型前進了一大步，但是仍然不夠完善。一個重要的理論缺陷是圍繞在原子核周圍的電子之間的作用力是斥力，根據數學計算，當兩個或更多的電子彼此距離相等、在軌道上繞核旋轉時，它們將進入振蕩（不穩定）狀態，原子會因此而破碎。可是實驗證明原子並未破碎，盧瑟福的原子模型是正確的，這又如何解釋呢？這個問題就留給了丹麥年輕的物理學家玻爾。
玻爾1885年10月7日生於哥本哈根，1903年入哥本哈根大學數學和自然科學係，主修物理學。1907年以有關水的表麵張力的論文獲得丹麥皇家科學文學院的金質獎章，並先後於1909年和1911年分別以關於金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。隨後去英國學習。年輕的玻爾來到英國，起初在湯姆生領導的卡文迪許實驗室工作。那時湯姆生已是物理學界的大人物。湯姆生第一次接見他時，他向湯姆生坦率地介紹了自己對放射性、磁學等一些領域的想法。他還向湯姆生提出了其電子理論中的錯誤。但不知是由於太忙，還是由於生氣，湯姆生對玻爾的想法並不關心。
玻爾對探究原子結構很有興趣，他認為盧瑟福的模型還存在兩方麵的問題，一個是原子如何保持穩定，另一個是如何求出原子的半徑。按照已有的理論，圍繞在原子核周圍的電子應處於不穩定狀態；但事實並非如此。玻爾想解開這個謎。後來，玻爾來到曼徹斯特拜會盧瑟福。雖然盧瑟福對理論物理學家懷有偏見，但對玻爾卻非常喜歡，兩人一見如故。不久玻爾就成了盧瑟福眾多學生中最有才華、最得意的一個。玻爾在晚年時回憶說，盧瑟福耐心傾聽每一個年輕人的想法，隻要他認為這個年輕人有想法，不管這個想法在他心中多麼樸素。盧瑟福對在其身邊工作的每一個年輕人都非常關心，並能夠給予熱心的指導，這也令玻爾難以忘懷。這種態度與湯姆生的態度形成了鮮明的對比。正是由於盧瑟福具有這種品德，才使他在一生中培養出11位諾貝爾獎獲得者，這是一個迄今仍未打破的紀錄。