虽然汤姆孙正确地预见到了原子内部有大量运动的带负电的电子，但他认为原子内部的正电荷是均匀分布的，这个观点却错得有点儿离谱。1911年，卢瑟福证明了贡献原子大部分质量的正电荷实际上集中在原子中央一个非常小的原子核里。这个结论来自他的一个著名实验，这个实验的目的是研究所谓的“阿尔法（α）粒子”穿过物质时是否会发生散射。α粒子是特定不稳定元素（例如铀或镭）的原子自发分裂而释放的高速微粒，科学家已经证明了α粒子的质量近似原子的质量，而且它携带正电荷，所以它一定就是原子中带正电的组件。α粒子穿过目标材料的原子时会被其内部的电子吸引，同时被正电组件排斥。不过，由于电子实在太轻，所以它们无法影响入射α粒子的运动，就像一大群蚊子也不可能影响受惊飞奔的大象。但从另一方面来说，由于原子中携带正电的组件与入射α粒子的质量相当，所以只要二者的距离够近，前者必然影响后者的运动，使之偏离原有轨道，向着四面八方散射。
卢瑟福用一束α粒子照射一片铝箔，然后惊讶地发现，要解释他在实验中观察到的结果，就必须假设入射α粒子与原子正电组件之间的距离不到原子直径的千分之一。当然，要满足这样的条件，唯一可能的解释是，入射α粒子和原子正电组件的尺寸都只有原子的几千分之一。卢瑟福的发现推翻了汤姆孙“正电荷均匀分布”的原子模型，他的新理论认为，尺寸极小的原子核位于原子中央，周围环绕着一大群带负电的电子。现在的原子不再是西瓜的形状（电子就是西瓜籽），看起来倒更像是缩微版的太阳系，原子核类似太阳，电子类似行星（图50）。
原子和太阳系不仅结构相似，还有其他很多共同点：原子核的质量相当于原子总质量的99.97%，而太阳系99.87%的质量都集中在太阳里；围绕原子核运行的电子之间的距离相当于电子直径的几千倍，太阳系内行星间的距离与行星直径的比值差不多也是这个数。
不过，二者最重要的相似之处在于，原子核和电子之间的电磁力与距离的平方成反比，太阳和行星之间的引力也遵循同样的数学规律。所以电子沿圆形和椭圆形轨道绕着原子核运动，就像太阳系里的行星和彗星一样。
根据原子内部结构的上述理论，不同化学元素的原子之所以有所区别，原因必然是不同原子内部绕核运动的电子数量不同。由于原子整体呈电中性，绕核运动的电子数量必然等于原子核携带的正电荷数量，根据α粒子因原子核的排斥而产生的偏移散射，我们又能直接估算出原子核携带的正电荷数量。于是卢瑟福发现，如果将所有化学元素按照从轻到重的顺序排列起来，那么每一种元素的原子包含的电子数都比前一种元素多一个。这样一来，氢原子只有1个电子，氦原子有2个电子，锂有3个，铍有4个，以此类推，直到最重的自然元素铀，它一共拥有92个电子。[58]
原子在这个序列中的排位通常被称为该元素的原子序数，根据元素的化学性质，化学家编制了一张化学元素周期表，这张表格中的原子编号和位置也和它的序数保持一致。
这样一来，任何一种元素的物理性质和化学性质都可以简单地用绕核旋转的电子数量来表示。
19世纪末，俄国化学家D.门捷列夫（）注意到，自然序列中的元素化学性质呈现出明显的周期性。他发现，这些元素的性质每隔一定数目就会重复一次。图51生动地体现了这样的周期性，在这幅图中，代表已知元素的所有符号沿着圆筒表面排成了一条螺旋状的带子，拥有类似性质的元素都落在同一列里。我们看到，第一组元素只有2种：氢和氦；接下来的两组分别包含了8种元素；最终元素性质的重复周期扩大到了18种。如果你还记得，自然序列中每种元素的原子都比前一种多一个电子，那么我们必将得出一个无法回避的结论：元素的化学性质之所以会呈现出明显的周期性，这必然是因为原子内部的电子——或者说“电子层”——拥有某种重复出现的稳定结构。第一层最多能容纳2个电子，接下来的两层分别能容纳8个电子，再往外的电子层最多能容纳18个电子。通过图51我们还会发现，元素的自然序列进入第六个和第七个周期以后，元素性质严格的周期律似乎被打乱了，这一块的两组元素（所谓的稀土元素和锕系元素）必须抽取出来单独放到一边。之所以会出现这样的异常现象，是因为这些元素原子内部的电子层结构比较特殊，从而影响了它们的化学性质。
元素周期性排列形成的螺旋条带，元素性质的重复周期分别是2、8 和18。下方的示意图单独画出了扰乱元素“周期环”的两组异常元素（稀土元素和锕系元素）。
既然我们已经知道了原子的模样，现在我们可以找找这个问题的答案了：是什么样的力将不同元素的原子结合在一起，形成各种各样的复杂化合物分子？比如说，钠原子和氯原子为什么会结合形成食盐分子？我们可以在图52中看到，氯原子的第三个电子层少了一个电子，而钠原子在填满第二个电子层以后，正好有一个多余的电子。所以来自钠原子的多余电子必然倾向于与氯原子结合，填满后者的第三个电子层。失去了一个电子（带负电荷）的钠原子带正电，与此同时，得到一个电子的氯原子带负电。在电磁力的吸引下，两个带电原子（或者说离子）结合起来形成氯化钠分子，俗称食盐。以此类推，氧原子的最外层少了两个电子，所以它会从两个氢原子处分别“绑架”一个电子，形成一个水分子（HO）。换句话说，氧原子通常对氯原子没兴趣，氢原子和钠原子也很难擦出火花，因为前面那两个家伙都劫掠成性，不习惯付出，与此同时，后面的两种原子都对掠夺没兴趣。
氦、氩、氖、氙等电子层完整的原子既不需要夺取也不必付出多余的电子，它们更喜欢自己跟自己玩，所以这些元素（所谓的“稀有气体”）化学性质很不活泼。
这个小节我们主要介绍了原子和它的电子层，本节结束之前，我们还得讨论一下原子携带的电子在金属类物质中扮演的重要角色。金属和其他材料很不一样，因为金属原子内部的外层电子与原子核的结合十分松散，所以常常会有一两个电子挣脱原子核的束缚，成为自由电子。这样一来，金属材料内就有大量漫无目的游**的自由电子，就像一群无家可归的流浪汉。如果给金属丝通电，这些自由电子会顺着电压的方向狂奔，形成我们所说的电流。
金属之所以拥有优秀的导热性能，也是因为自由电子的存在——但这部分内容我们留到后面的章节再讲。
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