分子光谱理论
不像原子在这种情况下，能量的量子化只产生于相互作用电子与原子核和其他电子，分子能级的量子化和由此产生的吸收或发射辐射包括这些能级包括几种机制。在理论上，不同的机制没有明确的分离，但在实践中，它们在量级上的差异使得它们的特征可以独立地进行检查。使用双原子分子作为一个模型，每一类能量都将被考察。
转动能量州
在气体阶段,分子与它们的大小相比，它们之间的距离相对较远，并且可以自由地绕着它们的轴旋转。假设一个双原子分子是刚性的(即不考虑内部振动)，由两个质量相同的原子组成米1而且米2隔着一段距离r时，其特征为a惯性矩我=μr2，其中μ， the降低质量，为μ =米1米2/（米1+米2)．法律的应用量子力学双原子分子的旋转运动表明转动能是量子化的，由EJ＝J（J+ 1) (h2/ 8π2我),h是普朗克常数而且J= 0,1,2，…为转动量子数。分子旋转光谱产生于分子经历从一个旋转能级到另一个旋转能级的转变时量子机械选择规则．选择规则是根据描述能量状态的量子数的允许变化来陈述的。对于发生在双原子分子的两个旋转能级之间的跃迁，它必须具有一个永久的偶极矩(这要求两个原子是不同的)频率入射到分子上的辐射必须满足量子条件EJ”−EJ＝hν和选择规则ΔJ=±1必须遵守。从能量水平用J这表示通过J+ 1，能量变化由hν=EJ+ 1−EJ= 2 (J+ 1) (h2/ 8π2我)或ν = 2B（J+ 1)，其中B＝h/ 8π2我是分子的旋转常数。
振动能态
双原子分子的旋转运动可以用刚性转子模型来充分地讨论。真正的分子不是刚性的;然而，两个原子核相对于彼此处于恒定的振动运动中。对于这样一个非刚性系统，如果振动运动在本质上近似为调和运动，则有振动能量,Ev，等于(v +1/2）hν0,在那里v= 0,1,2，…为振动量子数，ν0= (1/2π)(k/μ)1／2,k是键的力常数，特征特定分子的。观察振动的必要条件光谱对于双原子分子是发生在分子的偶极矩的变化，因为它经历振动(同核双原子分子因此是不活跃的)，符合选择规则Δv=±1，ν给出的辐射频率= (EV + 1−Ev）/h．
电子的能量州
不像原子其中系统是中心对称的(见上图基本原子结构)，原子核和之间的能量关系电子在双原子中分子更加复杂，难以精确地描述。考虑双原子分子的电子能态的一种常用方法是分子轨道(MO)的方法。在此描述电子波函数单独的原子构成分子，称为原子轨道(AOs)，结合在一起，根据适当的量子力学还有对称性的考虑，形成一组分子轨道它的域延伸到整个分子的核框架而不是以单个原子为中心。分子的电子跃迁，以及由此产生的光谱，可以用电子在两个MOs之间转移。由于核框架不是刚性的，而是不断地进行振动运动，因此，一种方便的定量方法描述特定MO的电子能量涉及到势能图的使用，其中势能相对于分子的核间分离(看到)．分子电子能谱产生于电子从一个MO到另一个MO的跃迁。