Także drgająca z dużą amplitudą cząsteczka nie drga harmonicznie z tego względu, gdyż podczas zbliżania się atomów cząsteczki do siebie na bardzo małe odległości siły wzajemnego odpychania się ich jąder atomowych gwałtownie rosną; z eksperymentów wynika również, że przy oddalaniu się atomów od siebie siły te maleją szybciej, niż dla oscylacji harmonicznych. Jedynie dla drgań w pobliżu stanu równowagi drgania cząsteczki dwuatomowej można więc traktować jako harmoniczne.
Do dokładnego modelowania oddziaływań między atomami w cząsteczkach dwuatomowych używa się m.in. potencjałów Morse’a i Lennarda-Jonesa.
Uwaga: Przez „potencjał” rozumie się tu energię potencjalną – takiego wyrażenia używa się powszechnie w mechanice kwantowej; w mechanice klasycznej potencjał ma inne znaczenie.
Potencjał Morse’a thumb|300px|Porównanie potencjału Morse’a (niebieski) i potencjału oscylatora harmonicznego (zielony). Model oscylatora z potencjałem Morse’a uzasadnia zmniejszanie się różnic energii między kolejnymi poziomami oscylacyjnymi. Energia wiązania jest większa niż energia dysocjacji ze względu na niezerową energię poziomu zerowego drgań.