Suas observações experimentais permitiram-lhe elaborar teorias sobre o vapor d'água e misturas de gases, apresentando em 1801 sua lei das pressões parciais: em uma mistura de gases, cada componente exerce a mesma pressão como se estivesse solitária no recipiente que a contém. Dalton concluiu que toda a matéria, não apenas gases, deve se consistir de diminutas partículas. Reviveu, assim, a antiga teoria atômica e elaborou a primeira tabela de pesos atômicos, anunciando seus resultados em 1803. Ao fim de sua vida, sua teoria atômica estava amplamente difundida entre a comunidade química e reconhecida pelo rei da Inglaterra com a Medalha Real.
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