對我們來說一些最重要的化學物質，比如我們呼吸的空氣，不是由單個原子組成，而是由分子組成。例如，空氣中的氧不是單獨的氧原子，而是兩個結合在一起的氧原子。

一個氫原子僅由一個質子和一個電子組成，電子在原子核周圍形成了云，這種云的形狀由包含波函數的薛定諤方程決定。簡單來說，如果我們要測量它的性質，波函數代表了可能結果的概率。

整個系統發生的事情是由系統的總能量決定的。要計算這兩個原子系統的最低能量，我們必須考慮以下因素：每個原子的動能、兩個質子之間的勢能、兩個電子之間的勢能以及每個電子與每個質子之間的勢能。在量子力學中，整個系統的動能和勢能的可能結果的總和被稱為哈密頓量，用大寫字母H表示。當我們進行所有計算時，我們的2原子氫系統的哈密頓量如下圖所示。

需要明確的是，哈密頓量是對應于系統能量的算子，一旦將其代入與系統無關的薛定諤方程，就可以求解以獲得可能的能量值。然而，這不是一個簡單的方程，但為簡單期間，它可以用下圖表示，橫坐標表示距離，而縱坐標表示能量。當系統從右到左移動時，表示兩個原子從遠離到靠近，此時能量會先下降然后再上升。因此，兩個原子找到了一個自然的甜蜜點，這樣它們在一起時就快樂地處于較低的能量狀態。

事實證明，這兩個原子系統的能量比兩個單獨的原子系統的能量小，這就是為什么氫原子喜歡彼此靠近。它們會自然地結合形成一個氫分子，而不是自己獨自漂浮。這兩個氫原子共享電子被稱為共價鍵，同樣由其他原子形成的共價鍵也有類似的作用。