以波長或波數為橫坐標，以強度或其他隨波長變化的性質為縱坐標所得到的反映紅外射線與物質相互作用的譜圖。紅外射線指一定波長範圍的電磁波，它發現於1800年，當時用普通溫度計測量到可見光譜中的紅外端有較強的熱效應。後來，經過實驗證實瞭這種肉眼看不見、波長比紅光更長的電磁輻射的存在。通常將紅外射線的波長範圍定為0.8～1000微米，與微波波段接界，並可粗略地分為三個波段：①近紅外的波段為0.8～2.5微米，波數為12500～4000釐米-1<；②中紅外的波段為2.5～25微米，波數為4000～400厘米-1；③遠紅外的波段為25～1000微米，波數為400～10厘米-1。相應地有近紅外光譜、中紅外光譜和遠紅外光譜。

　　紅外發射光譜和吸收光譜　紅外光譜可分為發射光譜和吸收光譜兩類。物體的紅外發射光譜主要決定於物體的溫度和化學組成，由於測試比較困難，紅外發射光譜隻是一種正在發展的新的實驗技術，如激光誘導熒光。將一束不同波長的紅外射線照射到物質的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，它是一種分子光譜。圖1

說明水分子有較寬的吸收峰，所以分子的紅外吸收光譜屬於帶狀光譜。原子也有紅外發射和吸收光譜，但都是線狀光譜。

　　紅外吸收光譜是由分子不停地作振動和轉動運動而產生的，分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相對運動，多原子分子可組成多種振動圖形。當分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時，這種振動方式稱簡正振動。含N個原子的分子應有3N-6個簡正振動方式；如果是線性分子，隻有3N-5個簡正振動方式。以非線性三原子分子為例，它的簡正振動方式隻有三種（圖2）。

在 v 1和 v 3振動中，隻是化學鍵的伸長和縮短，稱為伸縮振動，而 v 2的振動方式改變瞭分子中化學鍵間的夾角，稱為變角振動，它們是分子振動的主要方式。分子振動的能量與紅外射線的光量子能量正好對應，因此，當分子的振動狀態改變時，就可以發射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發分子的振動，而產生紅外吸收光譜。

　　量子力學研究表明，分子振動和轉動的能量不是連續的，而是量子化的，即限定在一些分立的、特定的能量狀態或能級上。以最簡單的雙原子為例，如果認為原子間振動符合簡諧振動規律，則其振動能量Ev可近似地表示為：

式中h為普朗克常數；v為振動量子數（取正整數）；v0為簡諧振動頻率。當v＝0時，分子的能量最低，稱為基態。處於基態的分子受到頻率為v0的紅外射線照射時，分子吸收瞭能量為hv0的光量子，躍遷到第一激發態，得到瞭頻率為v0的紅外吸收帶。反之，處於該激發態的分子也可發射頻率為v0的紅外射線而恢復到基態。v0的數值決定於分子的約化質量μ和力常數k：

k決定於原子的核間距離、原子在周期表中的位置和化學鍵的鍵級等。分子越大，紅外譜帶也越多，例如含12個原子的分子，它的簡正振動應有30種，它的基頻也應有30條譜帶，還可能有強度較弱的倍頻、合頻、差頻譜帶以及振動能級間的微擾作用，使相應的紅外光譜更為復雜。如果假定分子為剛性轉子，則其轉動能量Er為：

式中J為轉動量子數（取正整數）；I為剛性轉子的轉動慣量。在某些轉動能級間也可以發生躍遷，產生轉動光譜。在分子的振動躍遷過程中也常常伴隨轉動躍遷，使振動光譜呈帶狀。

　　一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外光譜屬於分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬於分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。

　　棱鏡和光柵光譜儀　屬於色散型光譜儀（圖3），

它的單色器為棱鏡或光柵，屬單通道測量，即每次隻測量一個窄波段的光譜元。轉動棱鏡或光柵，逐點改變其方位後，可測得光源的光譜分佈。

　　隨著信息技術和電子計算機的發展，出現瞭以多通道測量為特點的新型紅外光譜儀，即在一次測量中，探測器就可同時測出光源中各個光譜元的信息，例如，在哈德曼變換光譜儀中就是在光柵光譜儀的基礎上用編碼模板代替入射或出射狹縫，然後用計算機處理探測器所測得的信號。與光柵光譜儀相比，哈德曼變換光譜儀的信噪比要高些。

　　傅裡葉變換紅外光譜儀　它是非色散型的，核心部分是一臺雙光束幹涉儀（圖4中虛線框內所示），

常用的是邁克耳孫幹涉儀。當動鏡移動時，經過幹涉儀的兩束相幹光間的光程差就改變，探測器所測得的光強也隨之變化，從而得到幹涉圖。經過傅裡葉變換的數學運算後，就可得到入射光的光譜 B( v)：

式中I(x)為幹涉信號；v為波數；x為兩束光的光程差。

　　傅裡葉變換光譜儀的主要優點是：①多通道測量使信噪比提高；②沒有入射和出射狹縫限制，因而光通量高，提高瞭儀器的靈敏度；③以氦、氖激光波長為標準，波數值的精確度可達0.01厘米-1；④增加動鏡移動距離就可使分辨本領提高；⑤工作波段可從可見區延伸到毫米區，使遠紅外光譜的測定得以實現。

　　上述各種紅外光譜儀既可測量發射光譜，又可測量吸收或反射光譜。當測量發射光譜時，以樣品本身為光源；測量吸收或反射光譜時，用鹵鎢燈、能斯脫燈、矽碳棒、高壓汞燈（用於遠紅外區）為光源。所用探測器主要有熱探測器和光電探測器，前者有高萊池、熱電偶、硫酸三甘肽、氘化硫酸三甘肽等；後者有碲鎘汞、硫化鉛、銻化銦等。常用的窗片材料有氯化鈉、溴化鉀、氟化鋇、氟化鋰、氟化鈣，它們適用於近、中紅外區。在遠紅外區可用聚乙烯片或聚酯薄膜。此外，還常用金屬鍍膜反射鏡代替透鏡。

　　應用　紅外光譜不但可以用來研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定和分子對稱性的判據，而且還可以作為表征和鑒別化學物種的方法。例如氣態水分子是非線性的三原子分子，它的v1＝3652厘米-1、v3＝3756厘米-1、v2＝1596厘米-1（圖2）；而在液態水分子的紅外光譜（圖1）中，由於水分子間的氫鍵作用，使v1和v3的伸縮振動譜帶疊加在一起，在3402厘米-1處出現一條寬譜帶，它的變角振動v2位於1647厘米-1。在重水中，由於氘的原子質量比氫大，使重水的v1和v3重疊譜帶移至2502厘米-1處，v2為1210厘米-1。以上現象說明水和重水的結構雖然很相近，但紅外光譜的差別是很大的。

　　紅外光譜具有高度的特征性，所以采用與標準化合物的紅外光譜對比的方法來做分析鑒定已很普遍，並已有幾種標準紅外光譜匯集成冊出版，如薩特勒標準紅外光柵光譜集收集瞭十萬多個化合物的紅外光譜圖。近年來又將些這圖譜貯存在計算機中，用來對比和檢索。

　　分子中的某些基團或化學鍵在不同化合物中所對應的譜帶波數基本上是固定的或隻在小波段范圍內變化，例如，

經常出現在1600～1750厘米 -1，稱為羰基的特征波數。許多化學鍵都有特征波數，它可以用來鑒別化合物的類型，還可用於定量測定。由於分子中鄰近基團的相互作用（如氫鍵的生成、配位作用、共軛效應等），使同一基團在不同分子中所處的化學環境產生差別，以致它們的特征波數有一定變化范圍（見表）。

化學鍵的特征波數

　　紅外光譜在高聚物的構型、構象、力學性質的研究以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫學等領域也有廣泛的應用。