Atom
Atom tidak memiliki batasan luar yang jelas, sehingga dimensi atom biasanya dideskripsikan sebagai jarak antara dua inti atom ketika dua atom bergabung bersama dalam ikatan kimia. Jari-jari ini bervariasi tergantung pada jenis atom, jenis ikatan yang terlibat, jumlah atom di sekitarnya, dan spin atom. Pada tabel periodik unsur-unsur, jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya periode (atas ke bawah). Sebaliknya jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan menurunnya nomor golongan (kanan ke kiri). Oleh karena itu, atom yang terkecil adalah helium dengan jari-jari 32 pm, manakala yang terbesar adalah sesium dengan jari-jari 225 pm. Dimensi ini ribuan kali lebih kecil daripada gelombang cahaya (400–700 nm), sehingga atom tidak dapat dilihat menggunakan mikroskop optik biasa. Namun, atom dapat dipantau menggunakan mikroskop gaya atom.
Molekul diatomik
Senyawa-senyawa diatomik memainkan peran yang penting dalam menguraikan konsep unsur, atom, dan molekul pada abad ke-19 karena beberapa unsur-unsur penting seperti hidrogen, oksigen, dan nitrogen, secara alami berada dalam keadaan diatomik. Pada awalnya, John Dalton berasumsi bahwa semua unsur secara alami berada dalam keadaan monoatomik dan atom-atom pada suatu senyawa akan memiliki rasio atom yang sama. Sebagai contoh, Dalton berasumsi bahwa rumus molekul air adalah HO dengan berat atom oksigen 8 kali dari atom hidrogen (sebenarnya 16 kali atom hidrogen). Oleh karena asumsi tersebut terdapat kemelutan penentuan berat atom dan rumus molekul selama setengah abad.