Точно так же Ломоносов не мог довольствоваться измерениями количества вещества только на основании установления весовых отношений. Он ставит вопрос о необходимости учитывать качественные особенности вещества при определении его количества. В своей диссертации «Об отношении количества материи и веса» Ломоносов писал, что он вполне согласен с положением Ньютона, что «воздух удвоенной плотности делается учетверенным», но в то же время указывает, что не считает возможным полностью принять это положение, так как «то, что принимается как вполне справедливое для однородных тел, не будет в то же время обязательно приложимо к разнородным телам». «Нет сомнения, — пишет Ломоносов, — что в одном фунте золота материи вдвое меньше, чем в двух фунтах его же, но сомнительно, чтобы в одном фунте воды и в двух фунтах золота было то же отношение материи». В этих словах Ломоносов вполне отчетливо формулирует представление о химических единицах количества вещества, установленных в химии только через пятьдесят лет после его смерти Дальтоном и Авогадро. Задолго до Дальтона в своей диссертации «Элементы математической химии» (1741) Ломоносов указывает на постоянство состава химических соединений и формулирует общие основания закона кратных отношений: «Начало есть тело, состоящее из однородных корпускул. Смешанное тело есть то, которое состоит из двух или нескольких различных начал так соединенных между собой, что каждая отдельная его корпускула имеет такое же отношение частей начал, из которых тело состоит, как [для целых отдельных начал] имеет и все смешанное тело».
Особенно замечательно, что Ломоносов пришел и к мысли, что «корпускулы» (молекулы) разнородны и образуют разнородные тела, когда входящие в их состав «элементы» (атомы) соединены между собой различным образом. В диссертации «Элементы математической химии» Ломоносов дает такое определение корпускулы: «Корпускула есть собрание элементов в одну небольшую массу. Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом. Такого рода корпускулами являются корпускулы одинаковой массы, у которых часть подобна целому… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел».
Только в 1829 году шведский химик Я. Берцелиус, установив, что винная и виноградная кислоты представляют собой химические соединения одинакового состава, но с различными свойствами, ввел в науку понятие изомерии, указывающее на различие в структуре молекул при одинаковом числе входящих в нее атомов. Перегруппировка атомов внутри молекулы и вызывает различие в химических и физических свойствах получаемых соединений.
Атомистическое учение пронизывает всё мировоззрение Ломоносова, является главнейшей основой его материалистического понимания действительности. Ломоносов стремится найти в совмещении и взаимодействии материальных частиц объяснение всех решительно явлений природы, представить как молекулярный и физико-химический процесс, «всех чувств действия и других чудных явлений и перемен, в натуре бывающих». Таким путем он объясняет и возникновение наших ощущений и представлений, подчиняя их воздействию внешнего, объективно существующего мира. «Жизненные соки в нервах таковым движением возвещают в голову бывающие на концах их перемены, сцепясь с прикасающимися им внешних тел частицами. Сие происходит нечувствительным временем для беспрерывного совмещения частиц по всему нерву от конца до самого мозгу», — говорил Ломоносов в своем «Слове о происхождении света» в 1756 году.
Атомно-молекулярное учение Ломоносова, хотя оно и оставалось долгое время не известным во всем своем объеме, всё же оказало заметное влияние на развитие русской теоретической мысли в области физики и химии. Четко сформулированные Ломоносовым указания на свойства и взаимодействия атомов и молекул получили дальнейшее раскрытие в трудах русских химиков Н. Н. Бекетова, Николая Соколова, Н. Н. Зимина, А. М. Бутлерова и Д. И. Менделеева, знавших о химических воззрениях Ломоносова и восхищавшихся их смелостью и глубиной.