В 1807 году произошло событие, которое стало одним из самых значимых в истории как физики, так и химии. Англичанин Джон Дальтон нашел способ упорядочить различные атомы, из которых состоят элементы, и тем самым систематизировать химические соединения. Его предшественники обратили внимание на то, что когда элементы образуют соединение, они всегда следуют простой и неизменной пропорции. Такое-то количество кислорода + такое-то количество водорода дает такое-то количество воды, причем соотношение масс кислорода и водорода всегда одно и то же. Более того, эти пропорции соответствуют составу других соединений водорода или кислорода.

Дальтон пришел к выводу, что эти явления объясняются наличием у атомов постоянной массы, причем атом кислорода должен быть в 16 раз тяжелее атома водорода. Доказать эту напрямую было невозможно, так как атом слишком мал, чтобы его можно было взвесить. Однако даже косвенные доказательства были исчерпывающими и вполне убедительными. Так появилась теория «атомных весов», позволившая химикам расположить элементы в порядке возрастания атомного веса.

Начинается этот список так (в скобках указаны современные значения атомных весов): водород (1,00794), гелий (4,00260), литий (6,941), бериллий (9,01218), бор (10,82), углерод (12,011), азот (14,0067), кислород (15,9994), фтор (18,998403), неон (20,179), натрий (22,98977). Любопытно, что атомный вес почти всегда находится близко к целому числу (первое исключение — хлор с весом 35,453). Все это казалось непонятным, но начало все же было положено: теперь ученые могли искать новые закономерности и соотносить их с атомными весами. Однако проще было сказать, чем сделать. Никакой структуры в списке не было, свойства менялись практически случайным образом. Ртуть, единственный элемент, который при комнатной температуре находился в жидком состоянии — это металл (позже был обнаружен еще один жидкий элемент — бром). Многие элементы были твердыми металлами с самыми разными свойствами: железо, медь, серебро, золото, цинк, олово; сера и углерод твердые, но к металлам не относятся; многие элементы газообразны. Список был настолько беспорядочным, что когда несколько ученых, Иоганн Дёберейнер, Александр-Эмиль Бегуйе и Джон Ньюлендс, высказали оригинальную идею, что за видимым хаосом и неразберихой скрывается настоящий порядок, над ними просто посмеялись.

Заслуга за открытие правильной  по сути системы принадлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву, который в 1869 году построил первую из множества «периодических таблиц». В его таблице было 63 известных элемента, расположенных по возрастанию атомного веса. В ней также были пустые клетки — для еще неоткрытых элементов, которые предстояло занять свое место. «Периодичность» таблицы означала, что свойства элементов начинают повторяться через некоторое количество ячеек — в основном, через восемь.

Согласно Менделееву, элементы делятся на группы, члены которых разделены упомянутыми периодами, причем в каждой группе систематически проявляются сходства физических и химических свойств. Эти свойства повторяются настолько регулярно, что просматривая элементы одной группы можно обнаружить отчетливые, хотя и не абсолютно точные, числовые закономерности. Особенно хорошие результаты получаются, если предположить, что некоторые элементы еще не известные (это те самые пустые ячейки). К тому же сходства элементов группы позволяют предсказывать  свойства неизвестных элементов до того, как они будут открыты.