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Er arbeitete unter anderem auf dem Gebiet der Wärmeausdehnung von Gasen und formulierte das Gesetz der Partialdrücke, das Dalton-Gesetz.
Von ihm stammt das Gesetz von den multiplen Proportionen (1803: „Vereinen sich zwei Elemente zu mehreren Verbindungen, so stehen die betreffenden Gewichtsverhältnisse im Verhältnis einfacher kleiner Zahlen“, Beispiel : Stickoxide ). 1805 schlug Dalton vor, das relative Atomgewicht auf das leichteste Element, den Wasserstoff zu beziehen.
Er formulierte 1808 die Atomhypothese: „Elemente bestehen aus für das jeweilige Element charakteristischen, in sich gleichen und unteilbaren Teilchen, den Atomen“, mit der das Gesetz der konstanten Proportionen (Proust, 1810), sein Gesetz der multiplen Proportionen und das Gesetz der äquivalenten Proportionen (Richter, 1791) erklärt werden konnten. Die Atomgewichtseinheit Dalton trägt daher seinen Namen.
John Dalton entdeckte auch die Farbenblindheit.
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