分子物理学是研究分子的物理性质以及将原子结合为分子的化学键性质的学科，与化学学科紧密相连，同时和原子物理学密切相关。分子物理学中最重要的实验手段是光谱分析。分子谱和原子谱的最大区别是，除了组成原子的原子能级之外，还有分子本身的转动和振动能级。除了从原子得知的电子激发态以外，分子可以旋转与震动。由于这些旋转与震动具有量子性质，伴随的能级也是离散的。纯旋转运动光谱是在红外线谱域（波长大约为30-150微米）；震动光谱是在近红外线（）谱域（大约为1-5微米）；电子跃迁光谱是在可见光和紫外线谱域。从测量旋转