同核双原子分子轨道图
/ HOH-moh-NOO-klee-er dy-uh-TOM-ik /
学习分子轨道理论最干净的起点，是由两个相同原子组成的分子——H2、N2、O2、F2。因为两个原子相同，它们的原子轨道起始能量完全相同，所以图是对称的：分子轨道整齐地落在中间，由两个原子平等共享。从 H2 一路走到 F2，逐个搭建并填充每张图，是检阅这套理论能耐的标准路线。
对第二周期的双原子分子（Li2 到 F2），每个原子带来一个 2s 和三个 2p 价轨道。这对 2s 生成成键 sigma2s 与反键 sigma-star2s。2p 轨道按指向分裂：沿键指向的一对正面重叠，给出 sigma2p 与 sigma-star2p；两对侧向指向的重叠，给出两条简并的 pi2p 与两条 pi-star2p。用价电子自下而上填满，就能立刻读出每个分子的键级与磁性。这里有一个转折：对较轻的成员（B2、C2、N2），s-p 混合把 pi2p 推到刚好低于 sigma2p；而对 O2 和 F2，恢复为通常的 sigma2p 低于 pi2p 的次序。
这一个家族就是该理论最精彩的展示台。它正确给出 N2 键级为三、抗磁性，F2 键级为一，以及最引人注目的结果——O2 键级为二、带两个未配对电子，因而顺磁。任何 O2 的路易斯结构都画不出这两个未配对电子；分子轨道理论却毫不费力地预言了它们。这些双原子分子还展示了趋势：随着整个系列键级上升，键变短变强，与实测完全一致。
从 N2、O2 到 F2，随着反键轨道被填充，键级依次为 3、2、1，实测的键也精确对应：N2 短而极强（约 945 kJ/mol），O2 较弱，F2 最弱。这张图用一条填充规则就解释了整个趋势。
一架对称的能级阶梯，预言了每个第二周期双原子分子的键级、键长、强度与磁性。
存在两种有效次序，而非一种：较轻的 B2-C2-N2 因 s-p 混合而 pi2p 低于 sigma2p，O2-F2 则遵循更简单的 sigma2p 低于 pi2p 的次序——用错次序会把 B2、C2 的磁性预言错。