原子学说的发现
原子学说，早已经由古希腊的哲学家论述过。根据文献记载，留基伯的原子学说，实际上更莫如说是他的高徒德谟克利特（公元前460～前361年）的原子学说，是最古老和最著名的。依照他的学说，万物是由原子所构成，原子意即“不可再分”的物质，也就是不论用什么方法也不能再分割的最小的微粒。原子用肉眼是看不见的，且永远不变，不能毁灭，并经常处于无休止的运动之中。原子的种类多样。它在大小、形状、结合方式上可有种种差别。同一物质的原子均相同。不同物质是由不同原子所组成。
这个学说曾经由提倡“快乐主义”而著名的希腊哲学家伊壁鸠鲁（公元前342～前270年）和罗马诗人卢克莱修（公元前98～前55年）等人做了进一步传播。它是同恩培多克勒和亚里士多德等人所主张的连续学说相对立的。
后者认为物质是可以无限分割的，从而也就不可能存在原子一类的东西。这样原子学说就在同这种反对学说的斗争中延续了几个世纪，直到得到了弗朗西斯·培根、伽里略、波义耳和牛顿等人的有力支持，才在18世纪末几乎风靡了整个科学界。然而此时的原子学说，仍然也只是一种臆想的产物，是一个根基脆弱的假说，还未能有任何事实来确证原子的实际存在。而且长期以来还认为它是不可能由实验来确证的。
然而，这个已经流传了2200多年的原子学说，它的再生时机终于来临。这就是由于道尔顿的倡导而带来的新生。
道尔顿研究了气体的各种性质。为了说明不同气体在水中溶解度的差别，他认为各种气体都是由无数的微粒所构成的。那么是不是由于粒子大小的不同而造成了溶解度的差别呢？为了解决这一问题，他以此为开端进行了研究，并最终导出了原子学说，完成了他的杰出贡献。他在1803年时就已经得出了原子学说的基本要点，但是直到1808年才公开发表于世。
道尔顿原子学说的主要点是：
1.所有物质都不能无限分割，都要达到一个最后的极限。这个极限的微粒，依照自古以来的说法，就叫做原子（atom）。
2.原子的种类很多。各元素都有各自特有的原子。同一元素的原子，性质完全相同，质量相等。不同元素的原子，性质不同，特别是质量不同。
3.化合物是由其组成元素的原子聚集而成的“复杂原子”。在构成一种化合物时，其成分元素的原子数目保持一定，而且保持着最简单的整数。
此外，道尔顿还设想所有元素的原子均为球形，并以其所制造的模型来表示各种化合物（复杂原子）的结构。
道尔顿认为，在元素与元素形成化合物时原子数目都是最简单的。然而，他的想法却是有些过于简单了。
如果仅从上面所叙述的来看，道尔顿的原子论似乎同古希腊的原子论也没有多大的区别。但是，它强调了原子的质量则是最突出的特点。这一学说的真正价值，可以从能够详细说明它的实验事实的密切关系中得到认识。
道尔顿做为一个新原子学说的提出者，不管是出于职责，还是出于满足自己的科学兴趣，他都是果敢地着手进行了各种原子量的测定。测定原子量，这恐怕是自古以来人类要实现的一个最勇敢的创举。当时，他所测定的原子量当然还不是原子的绝对重量，只是以最小的原子量即氢的原子量为标准所测出的相对值。
这个重量还是比较容易测出的。例如，对于氧和氮来说，它们的原子量经过道尔顿的确定分别是7和5（以氢的原子量做为1）。这样的确定是根据以下的事实，即道尔顿发现在氧气和氢气化合成水时，是由7克氧气和1克氢气生成8克的水；在氮气和氢气化合成氨气时，经过道尔顿对氨气的分析后得知二者的重量比为5份氮和1份氢。根据道尔顿的假定，无论是水还是氨，都是由构成元素的各一个原子组成的。这样，如果1个氢原子的重量是1的话，则就可以确定一个氧原子的重量为7，一个氮原子的重量为5。
根据这样的想法，道尔顿测定了当时已知的20种普通元素的原子量，同时还测定了许多普通化合物的复杂原子的原子量。但是，遗憾的是，结果并不怎么好。因为正确的结果应当是氧的原子量为16，氮为14。道尔顿之所以会产生这样大的错误，如前所述，主要是由于把水和氨的组成都看得过于简单了。另外，假如就算没有这个误差的话，道尔顿也应当把氧的原子量定为8，氮的原子量定为14/3＝4.7才是。出现这一错误的原因是由于当时的分析方法还比较落后，同时也由于道尔顿还不是一位很优秀的化学分析家。
道尔顿所测得的原子量的数值，尽管是如此粗糙，然而毕竟还是化学家最早测出的原子量，是值得重视的。特别是还能为定量地探索化学变化的规律最早提供了依据。从这一点来看，道尔顿的伟大功绩是永远值得人们纪念的。
道尔顿原子学说的重要特点就在于它能够同实验事实密切相联系。这是什么意思呢？这就是说，在化学变化的过程中参加反应的物质的重量之间存在着规律性的关系，而这种关系正可以由原子学说得到简单而明确的说明。这也就是道尔顿原子学说高于古代的原子学说的一个所在。
分子假说的提出
道尔顿对于复杂原子应当说是略欠考虑的。然而阿佛加德罗却能第一个深入认识到了它的意义。阿佛加德罗虽然还没有使用过“分子”这一名称（他把道尔顿所说的“compound atom”即复杂原子，称之为“integral atom”即复合原子），然而他却已经意识到了这是一种同我们今天所说的分子具有同样意义的微粒。这种微粒，换句话说也就是分子，是原子的复合体。他认为这种复合体，不只局限于化合物，即使对于单质也是体现过固有性质的最小微粒。这样，他就可以仍然维持道尔顿的原子学说几乎不变，而只把盖·吕萨克的假说稍作改动就可以，即成为如下的叙述：“所有气体在相同体积中都含有相同数目的分子”。这里虽然仅仅正了一个字，然而却能使一切矛盾都迎刃而解了。过去，由于盖·吕萨克说是相同数目的原子，从而就会碰到原子被分割的矛盾。现在，阿佛加德罗说是相同数目的分子，而分子的被分割则是理所当然的，只是分割成了原子而已。
例如，在氧和氢生成水蒸气的反应中，如果1个体积的氧气含有1个分子的氧，2个体积的氢气含有2个分子的氢，则就可以生成2个体积的水蒸气，即2个分子的水。这样，1个分子的水就含有相当于是1个分子的氢和半个分子氧的重量。因为只要把1个分子的氧看做是由2个原子组成的就可以合理解释半个分子氧了，即在1个水分子中是含有1个氧原子。
运用这种观点来解释气体反应体积的关系时就不会再碰到任何矛盾。除了前述的6个例子以外，还有像对于氢气和氯气的反应，当各用1个体积作用时，就可以知道是能够生成2个体积的氯化氢，从而也能得到很好的说明。但是在这种情况下，也要有像对氧分子一样的假定，即也应假定氢和氯的分子是由2个原子构成的。过去曾经有一个时期认为所有单质的分子都是由两个原子构成的，后来才知道这是一种误解。因为单质并非只限于是两个原子构成的。
根据阿佛加德罗的这一新假说，就能测定出所有气态物质分子的重量，当然这是指相对的重量。在相同体积的气态物质中，由于所含的分子数目都相同，所以两种相同体积气态物质的重量比或所求出的密度比，也就是两种物质分子的重量比。如果选择最轻的气体氢气做为标准，以氢的原子量做为1，则氢的分子量即为2。这样，根据所测出的任一气体对氢气的比重就可以求出许多种气体的分子量了。例如：氧分子32水分子18氮分子28氯化氢36.5氯分子71氨分子17（阿佛加德罗求出的数据都多少有些误差），氢是做为单质氢参加反应，并不是以氢的原子直接作用的，而是以氢的分子作用的。氧做为单质氧所参加的反应，也是以氧的分子作用的。这样，就必须改变道尔顿对于一般化学反应的说明方式。同样，也就需要根据新的观点修正道尔顿对于化合物结构的认识。过去，道尔顿认为水是由氧和氢的各1个原子构成的，即为⊙○。但是根据阿佛加德罗的观点却认为是由氧的1个原子和氢的2个原子构成的，即为⊙○⊙。随着这一组成的改变，元素的原子量也就要相应的改变。已知水是由1克氢和8克氧化合而成，道尔顿认为这些重量就分别是它们各1个原子的重量。若氢的原子量为1，则氧的原子量就为8（如按历史上的一般说法，道尔顿曾认为是7。如前所述，这是由于实验的误差造成的）。但是，现在已经认识到1克和8克分别是相当于由2个氢原子和1个氧原子构成时的重量，所以若氢的原子量为1，则氧的原子量就应为16。
此外，道尔顿认为氨是由氮和氢的各1个原子组成的化合物，即为○⊙。但是，从氮气、氢气和氨气之间的体积关系上看，就必须加以改正，即由氮的1个原子和氢的3个原子结合成的。从重量上看，是1克氢对4.7克氮的关系，现在若氢的原子量是1时，则氮的原子量就应改为14。
道尔顿只认识到原子而未考虑到分子所出现的谬误，就如此般地陆续得到了改正。此外，由于在原子之上又建立了分子的层次，从而使化学家的物质观基础也就更加巩固，应用的效果也更加广泛和有效。因此，在19世纪后半叶以后，分子学说很快就放射出光芒。由克劳修斯和麦克斯韦等人提出的气体运动学说，以及由范霍夫提出的溶液理论等就进一步为之增添了光彩。进入20世纪以后，已经就没有人再怀疑分子的存在了。
阿佛加德罗分子学说早在1811年就已发表。如果说在19世纪后半叶以后才得以迅速放出光芒的话，那么在前半叶时又如何呢？它有如是一颗被埋没在地下的宝石，直到1858年经康尼查罗之手才重见天日。在长达50年的时间里，本应放出的光辉却被遮掩了，从而使理论化学的发展只能在黑暗中摸索，缓慢地前进。
这样一个重要的定律，为什么长期竟未被世人所知晓呢？可能由于阿佛加德罗是一位物理学家，而且还素来是一位非常谦逊的学者，因而就不大为化学界所了解。另外，也可能是由于他不大爱轻易传播自己的学说。还有，读过他这篇论文之后，也还难以清楚地判别原子和分子的区别。特别是他还想不仅对于气体，而且对于液体和固体也要给予同样的说明，这就越发增加了难解之处。这样，分子学说的重要性也就未被充分地认识到。另外，当时许多青年化学家的兴趣在很大程度上都集中在其他问题上，吸引了许多优秀化学家在进行着探索，从而削弱了对这一方面的研究。这里所说的其他的兴趣中心，就是迅速发展起来的有机化学。
道尔顿的原子学说和阿佛加德罗的分子学说，本来是前后相继问世的，然而不幸的是后者并没有为人们所普遍知晓。这就使物质结构的理论，或也可认为是化学的基础理论，停滞于不完整的阶段。尽管如此，仅只做为单纯原子论的原子学说，也还是在逐渐地进展着。
晶体结构的发现
一、研究晶体结构的重要意义