道爾頓陷入了沉思：我們對原子的實質又有什麼了解呢？自然界中真有原子嗎？也許原子不過是一種哲學範疇？如果原子確實存在，那麼，根據原子論就肯定能把物質的一切屬性和各種規律解釋清楚。不過，難道可以把基爾溫和惠更斯提出的理論稱為原子論嗎？他們與波義耳和牛頓的學說又有什麼區別呢？化學是有缺陷的，這就是還缺少一種真正可靠的物質結構理論！
這些新的思想鼓舞著道爾頓。他開始頑強地研究起來。他去實驗室，跑圖書館，伏在桌上撰寫理論總結……首先，必須對原子要有一個清晰的概念。
原子有些什麼特點？一種元素的原子和另一種元素的原子有沒有區別？原子非常微小，肉眼不可能看到，但是有沒有辦法測定原子的重量、形狀和大小呢……幾年的艱苦勞動不久就有了結果。1803年10月21日。這天晚上。曼徹斯特文哲學會的會員們終於聽到有關原子的研究報告。約翰·道爾頓站在講壇上，向聽眾介紹了他的化學原子論。
“最後，我想把我提出的這個理論的主要之點歸納一下。過去所有的微粒說都一致主張，微粒是一些完全相同的小球。我卻認為，一種元素的原子（不可分的細小顆粒）彼此是相同的，但它們和另一些元素的原子則互不相同。目前我們對原子的大小盡管還一無所知，但是我們仍然能夠指出原子的一種基本的物理性質，那就是：原子具有重量。為了證明這一論點，請允許我宣讀一下我的第二項研究成果：‘表一，物體最小質點的相對重量’。原子不能再分，也無法稱量。如果承認原子是按最簡單的比例互相化合的，如果先把化合物加以分解，再把分解後的幾種元素的重量百分比和它們之中最輕的元素的重量百分比進行比較，那麼，我們就會得出一些引人注目的數據。
這些數據表明，一種元素的原子要比最輕的元素的原子重若幹倍。請注意載有這些重量的第一表。表格就擺在諸位的麵前。最輕的元素是氫。這就是說，我們可以把氫的原子量假定為1……”
道爾頓講得引人入勝，聽眾聽得津津有味。他們盡管都承認物質是由原子構成的；但是，像這樣一種理論，這樣一些精辟的概念，不僅能說明物質的性質，而且還能描繪物質的結構，卻是任何人從未聽說過的。道爾頓在黑板上畫出許多小圓圈，把每兩個、三個或四個小圓圈排成一組。這些符號就是最簡單的化合物的最早化學式。
道爾頓的新理論引起了科學界的廣泛注意。他應聘前往倫敦講學。幾星期後。他又回到曼徹斯特，繼續從事沒有做完的原子的測定工作。
一些意外情況給他帶來了不少麻煩。例如，銅氧化後會生成黑色和紅色的兩種氧化物。氮也有幾種不同的氧化物。怎樣來解釋這種現象呢？不過，他早已獲悉普魯斯特研究過的銅的兩種氧化物。普魯斯特的分析結果表明黑色氧化物含有80％的銅。紅色氧化物含有89％的銅。其他研究工作者也做過一些分析，他們獲得的結果和普魯斯特的上述數據差別不大。在著手計算之前，有了這些資料已足夠了。
道爾頓在文獻中有時會查到一些隻經過某一位學者測算的結果。這時他總要重新進行分析，檢查一下是否有誤，然後才動手計算原子量。他求出的原子量的許多數值仍然很不精確，因為他把氧的原子量規定為7，而不是16。
道爾頓算出的數值，其實就是我們現在所說的當量，也就是能表示化合價數的該元素的重量份數。氧原子是兩價的，因此相當於氧原子量一半的重量就表示是一價。道爾頓始終未能求得氧的精確當量值。造成錯誤的原因在於分析方法不夠完善，因而獲得的結果很不準確。
道爾頓非常重視數量特征。在黑色氧化銅中，20個重量單位的氧和80個重量單位的銅相化合。氧的原子量既然是7，那麼，與7個重量單位的氧化合的銅的重量就應當等於銅的原子量。道爾頓求出銅和氧的化合比例數為28。在紅色氧化銅中，11個重量單位的氧和89個重量單位的銅相化合。按氧的原子量為7計算，銅和氧的化合比例數為56。道爾頓驚訝地注視著這兩個數字——28和56。
“原來第二個數比第一個數大一倍！有意思的是把氮的幾種氧化物照樣計算一下，會得出什麼結果呢？”他驚呼道，隨即飛快地算了起來。
“完全一樣！又是一個數比另一個數大一倍。說不定原子具有一種可按不同重量比互相化合的特性吧？”
這想法真是太迷人了。
“對，就是這樣。在黑色氧化銅中，和一個氧原子化合的是一個銅原子；而在紅色氧化銅裏，卻是兩個銅原子。”
可見，這絕不是什麼偶然的巧合，而是物質的一種基本屬性。倍比定律正是自然界的一條規律。
道爾頓把這個發現告訴了斯蒂芬斯。
“問題就出在原子互相結合的本領上。假如一個氧原子和一個銅原子結合，生成某種氧化物，那麼，一個氧原子同兩個銅原子結合就會生成另一種氧化物。第一種化合物和第二種化合物含銅量的比自然為1∶2。”