在1899年和1900年，物理学家欧内斯特·卢瑟福(在加拿大蒙特利尔麦吉尔大学工作)和保罗·维拉德(在巴黎工作)根据物体的穿透和磁场的偏转，将辐射分成三种类型:最终由卢瑟福命名为α、β和γ。[8]卢瑟福将α射线定义为普通物体穿透力最低的射线。

卢瑟福的工作还包括测量α粒子的质量与其电荷的比率，这使他提出了α粒子是双电荷氦离子的假设(后来证明是裸氦核)。[9]1907年，欧内斯特·卢瑟福和托马斯·罗伊兹最终证明阿尔法粒子确实是氦离子。为了做到这一点，他们使阿尔法粒子穿透真空管非常薄的玻璃壁，从而在管内捕获大量假设的氦离子。[10]然后，他们在管内产生电火花，提供一簇电子，这些电子被离子吸收，形成气体的中性原子。随后对所得气体光谱的研究表明，它是氦，α粒子确实是假设的氦离子。

因为α粒子是自然产生的，但是能量足够高，可以参与核反应，所以对它们的研究导致了核物理的早期知识。卢瑟福利用溴化镭发射的阿尔法粒子推断出汤姆逊的李子布丁原子模型存在根本缺陷。在卢瑟福的金箔实验中，他的学生汉斯·盖格和内斯特·马斯登(Hans Geiger andErnest Marsden)进行了实验，建立了一股窄束α粒子，穿过非常薄(几百个原子厚)的金箔。阿尔法粒子通过硫化锌屏检测，当阿尔法粒子碰撞时，硫化锌屏会发出闪光。卢瑟福设想，如果原子的“李子布丁”模型是正确的，根据预测，正电荷分布分散，带正电荷的α粒子将仅仅稍微偏转，如果有偏转的话。

实验发现，一些阿尔法粒子的偏转角度比预期的大得多(根据卢瑟福的建议进行检查)，有些甚至几乎直接反弹回来。尽管大部分阿尔法粒子像预期的那样直接穿过，卢瑟福评论说，如果假设“李子布丁”理论是正确的，少数被偏转的粒子就像向薄纸发射一个15英寸的炮弹，结果只是让它弹开。可以确定，原子的正电荷集中在中心的一小块区域，使得正电荷密度足够大，足以偏转任何接近的α粒子，这个带正电的区域后来被称为原子核。

在这一发现之前，人们不知道α粒子本身就是原子核，也不知道质子或中子的存在。在这一发现之后，J·J·汤姆逊的“李子布丁”模型被抛弃了，卢瑟福的实验导致了玻尔模型(以尼尔斯·玻尔命名)和后来的现代原子波动力学模型。

1917年，卢瑟福继续使用阿尔法粒子意外地产生了他后来所认识的一种元素到另一种元素的定向核嬗变。自1901年以来，人们已经懂得了自然放射性衰变导致元素从一种元素到另一种元素的嬗变，但是当卢瑟福将α衰变产生的α粒子投射到空气中时，他发现这产生了一种新型的辐射，这种辐射被证明是氢原子核(卢瑟福将这些质子命名为质子)。进一步的实验表明质子来自空气中的氮成分，并且推断出反应是氮在反应中转化为氧

14N + α → 17O + p 

这是人们发现的第一个核反应。

对于相邻的图片:根据布拉格的能量损失曲线，可以看出阿尔法粒子确实在轨迹的末端损失了更多的能量。[11]