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分子轨道理论是现代化学中描述分子结构和化学键的重要理论。它认为分子中的电子不再局限于单个原子，而是在整个分子范围内运动。当两个原子靠近时，它们的原子轨道会重叠并组合形成分子轨道，电子在这些分子轨道中分布，从而形成化学键。
分子轨道的形成遵循线性组合原理。当两个原子轨道同相组合时，波函数相加，形成能量较低的成键分子轨道，电子在此轨道中的概率密度增加，有利于化学键的形成。当两个原子轨道反相组合时，波函数相减，形成能量较高的反键分子轨道，在原子核间出现节面，不利于成键。
分子轨道能级图是理解分子结构的重要工具。图中显示了两个原子轨道在相同能级上组合，形成一个能量较低的成键轨道和一个能量较高的反键轨道。电子优先填入能量较低的成键轨道，遵循泡利不相容原理，每个轨道最多容纳两个自旋相反的电子。这种电子分布决定了分子的稳定性和化学性质。
分子轨道根据原子轨道重叠方式的不同可以分为σ轨道和π轨道。σ键是由原子轨道沿着键轴方向头碰头重叠形成的，具有圆柱对称性，键强度大，是最稳定的化学键类型。π键是由p轨道侧面重叠形成的，在键轴上方和下方都有电子云分布，中间存在节面，键强度比σ键弱，但对分子的几何构型有重要影响。
分子轨道理论在解释分子性质方面具有重要应用。以氢分子为例，两个电子填入成键轨道，键级为1，形成稳定的单键。氧分子的情况更复杂，有8个成键电子和2个反键电子，键级为2，形成双键。特别重要的是，氧分子的两个反键电子自旋平行，使氧分子具有顺磁性，这是价键理论无法解释的现象，充分体现了分子轨道理论的优越性。