При зближенні молекул між ними виникають сили міжатомної взаємодії, які можуть призводити до утворення молекул.
Розрізняють два види міжатомних (хімічних) зв'язків - іонну і ковалентний.
Природа іонної зв'язку може бути пояснена в рамках класичної фізики як результат кулонівських сил тяжіння між різнойменно зарядженими іонами. Типовими прикладами молекул з іонним зв'язком є галоген-водень - HCl, HBr та ін. При зближенні атомів водню і галогену електрони атома водню переходять у зовнішнє, недобудовану оболонку атома галогену, добудовуючи її до оболонки інертного газу. В результаті цього виникає кулоновское тяжіння між двома різнойменно зарядженими іонами, що забезпечує стійкість утворилася полярної молекули.
Ковалентний зв'язок має універсальний характер і утворюється між будь-якими атомами. У найбільш чистому вигляді ковалентний зв'язок проявляється в молекулах, що складаються з однотипних атомів, таких як H2. O2 і ін.
Природа ковалентного зв'язку не може бути пояснена в рамках класичної фізики і вимагає використання квантово-механічних уявлень. Як показали теоретичні розрахунки і експерименти, ковалентні зв'язки мають властивість насичення, зреалізований в певній валентності атомів і певної спрямованості, яка формує просторову структуру молекули. При зближенні атомів їх електронні оболонки починають перекриватися, що призводить до виникнення обмінного взаємодії, яке відповідальне за освіту ковалентного зв'язку між атомами (див. Дод. 7).
Повна внутрішня енергія W молекули може бути представлена як сума енергій електронів Wел, коливального руху ядер Wкол і обертального руху Wвр молекули як цілого:
Електронна частина енергії молекули, як і в атомі, може набувати дискретний ряд значень:. . Стан з найменшим значенням енергії називається основним (незбудженим). Далі випливає перше збуджений стан з енергією і т.д.
Перейдемо тепер до розгляду енергії коливального руху молекули.
Кожен атом молекули має три ступені свободи, тому якщо молекула складається з N атомів, то загальне число ступенів свободи дорівнює 3N. З цього числа три ступені свободи припадають на поступальний і три ступеня - на обертальний руху молекули як цілого. Отже, число коливальних ступенів свободи одно 3N-6 і молекула може зробити 3N-6 різних коливань. З хорошим наближенням можна вважати, що ці коливання є гармонійними з частотами n1. n2. n3N-6. Енергія i-го гармонійного коливання може бути виражена через частоту гармонічного осцилятора формулою (див. § 30.6)