Geiger và Marsden dùng một ống chứa khí radi brom (RaBr2) phóng xạ ra các hạt alpha và chiếu dòng hạt alpha vào các lá kim loại khác nhau. Họ quan sát các hạt alpha truyền qua, phản xạ và tán xạ bằng cách đặt hệ thống trong buồng tối, bao bọc bởi các màn huỳnh quang làm từ hợp chất kẽm và lưu huỳnh (ZnS) và dùng kính hiển vi đếm số lần các chớp sáng sinh ra do các hạt alpha va vào màn tại các vị trí tương ứng với các góc tán xạ khác nhau. Việc đếm các hạt alpha diễn ra trong nhiều giờ để có thể tích lũy được con số thống kê có ý nghĩa.

Họ đã dùng các lá kim loại khác nhau, từ nhôm, sắt, vàng đến chì, với độ dày thay đổi bằng cách xếp nhiều lá mỏng lên nhau thành lá dày hơn.

Kết quả đáng chú ý nhất xảy ra với lá vàng dày 60 nanomét (tức là bề dày khoảng 200 nguyên tử vàng), khi đó chừng một trong 8000 hạt bị tán xạ ngược lại với góc tán xạ lớn hơn 90 độ. Quan sát này không thể giải thích được bằng mô hình mứt mận cho nguyên tử; mà chỉ có thể giải thích được với giả thuyết một hạt nhân mang điện tích dương nhỏ nằm trong nguyên tử.