모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자로 구성되어 있다는 생각은 아득한 고대부터 존재했다.
돌 턴은 오랫동안 기체의 여러 가지 성질을 연구하던 중, 여러 가지 기체의 물에 대한 용해도를 설명하기 위해서 각종 기체들이 무수한 입자들로 이루어져 있을 것이라는 생각을 하게 되었다. 즉 모든 기체는 각기 고유한 작은 입자들로 되어 있어서 이 입자의 크기에 따라 물에 대한 용해도가 달라지는 것이라고 생각했던 것이다. 이것이 단서가 되어 그의 최대의 공적인 원자설이 탄생하게 되었다.
돌 턴은 1803년 원자설의 대체적인 구상을 끝내고 1808년에 원자설을 세상에 공포했다. 돌턴은 모든 원소의 원자는 공과 같이 둥근 모양이라고 상상하고 이것들의 모형을 만들어 화합물의 구조를 원자 개념으로 모형적으로 표시하기도 했다. 이와 같은 돌턴의 원자설은 옛날 그리스의 철학자들의 원자설과 거의 비슷하지만, 원자의 질량을 특히 강조한 것은 돌턴의 학설의 특이한 장점이다.
돌 턴은 수소 원자를 표준으로 하고, 그 원자량을 1로 정한 다음 다른 원자의 원자량을 결정하려고 했다. 지금의 관점에서 보면 틀린 부분도 많지만 그 당시의 정량 분석 방법이 아직도 유치했고 돌턴의 실험 기술도 그리 뛰어나지 못했기 때문에 그렇게 문제가 되지 않았다. 돌턴의 원자량의 결함은 가장 잘 알려져 있는 화합물의 식을 가장 간단한 식으로 표시하려는데 있는 것인데, 여기에는 어떤 필연성도 없고 합리적인 기초도 없었다. 그러나 화학 변화가 일어날 때 여기에 관여하는 물질의 무게 변화에 규칙적인 어떤 관계가 있다고 하는 것을 원자설에 의해 간단 명료하게 설명할 수 있게 된 것은 돌턴의 원자설의 하나의 장점이라고 할 수 있다.
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