卢瑟福的主要贡献他关于放射性的研究奠定了放射性是相吻合原子内部的变化。放射性能使一种原子转变出另一种原子，而这是一般物理和化学变化所约将近的。这一找到超越了元素会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究转入到原子内部这一新的层次，为修筑一个新的科学领域——原子物理学，做到了开创性的工作。

1911年，卢瑟福根据α粒子衍射实验现象明确提出原子核式结构模型。该实验被选为“物理美丽实验”之一。1919年，卢瑟福做到了用α粒子炮击氮核的实验。

他从氮核中投出的一种粒子，并测量了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。他通过α粒子为物质所衍射的研究，无可辩驳的论证了原子的核模型，因而乘势把原子结构的研究引上了准确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的对立，才造成玻尔明确提出背离经典物理学的革命性的量子假设，沦为量子力学的先驱。

人工核反应的构建是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性裂变被断定以后，人们仍然试图用各种手段，如用电弧静电，来构建元素的人工裂变，而只有卢瑟福寻找了构建这种裂变的准确途径。

这种用粒子或γ射线炮击原子核来引发核反应的方法，迅速就沦为人们研究原子核和应用于核技术的最重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加快的粒子来引发核反应。

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