Rutherford tem inúmeras e importantes contribuições ao desenvolvimento da física nuclear. Logo no início das pesquisas sobre a radioatividade, ele descobriu que as radiações emitidas pelos materiais radioativos eram de três tipos. Um deles consistia em partículas negativas, que ele denomina partículas beta (logo se descobriu que se tratava de elétrons), um outro tipo consistia em partículas positivas, que ele denominou de partículas alfa (na seqüência das investigações, essas partículas foram identificadas com o núcleo do átomo de hélio. Isto é, elas continham dois prótons e dois nêutrons. O terceiro tipo de radiação é semelhante aos raios X, isto é, uma onda eletromagnética, que ele denominou raios gama. Por tudo isso ganhou o Prêmio Nobel de Química de 1908.
Em 1919, Rutherford identifica a partícula responsável pela carga positiva do átomo, o próton, e levanta a hipótese de que no interior do núcleo deveria haver uma outra partícula, eletricamente neutra, mas com massa semelhante à do próton. Em 1932 essa partícula foi descoberta pelo seu aluno Chadwick.
