— можно было бы сказать, про всё, что будет дальше, так как зачастую в науке и технике возникает потребность узнать состав объекта, не нанося ему повреждений.

И, для этого, есть интересные способы!

Впервые, я заинтересовался этим вопросом достаточно давно, когда услышал о таком любопытном факте, что состав объектов, в частности металлов, может быть определён, с достаточно высокой степенью точности, просто визуально! 

Причём, в различных источниках этот момент обычно обыгрывают, в довольно забавном ключе, в духе: «да, там, старый дядя Вася, с сорокалетним стажем, сказал, что, сейчас всё будет! И сделал вот что...» (тут варьируется только количество стажа, необходимое для этого и что конкретно он сделал) :-D 

Но, нам такой подход из разряда «пальцем в небо» не нужен... Поэтому, обратимся к серьёзной литературе, например, посмотрим старую советскую книгу Е.Н.Маслова, — «Теория шлифования материалов», в которой будет достаточно много на эту тему, а именно: как определить по искрам, состав металла! 

Согласно ей, искры представляют собой мелкие частички расплавленного металла, летящие по касательной от шлифовального круга, находящегося в контакте с обрабатываемой деталью. 

Быстро вращающийся круг, придаёт им ускорение и является источником их температуры, которая резко увеличивается из-за трения. 

Во время полёта по воздушному пространству, наблюдается яркое свечение этих частиц, где цвет свечения частиц и форма их пучка — прямо зависят от состава металла, который проходит обработку в данный момент:

Таким образом, посмотрев на картинку выше, мы можем понять, что если сталь углеродистая, то она даст жёлтый пучок искр, при этом, от количества углерода в стали будет зависеть, насколько короток будет пучок искр, и, насколько много будет в этом пучке звёздочек, а также, насколько ярким будет их свечение. 

Если сталь будет содержать в своём составе марганец (до 14%), то, звёздочки будут тёмно-красного цвета, вытянутой формы, похожей на листочки. 

Если обрабатывается быстрорежущая сталь, с содержанием вольфрама, то её можно распознать, по небольшому пучку искр, красноватого цвета, с толстоватыми звёздочками. 

Если сталь хромистая, то она даст относительно длинный пучок, с искрами красного цвета, звёздочки относительно утолщенные. 

Если сталь кремнистая, то, основание пучка искр, находящееся у самого шлифовального круга, выглядеть как особо яркий, белый пучок, что будет объясняться большим количеством выделяемой теплоты, в результате горения кремния.

При этом, судя по характеристике снопов искр, самым трудно определяемым является чугун, так как он может давать искры, абсолютно разного типа, зависящие от примесей, имеющихся в нём.

Таким образом, мы видим, что, при определённой «насмотренности» объясняющейся большим стажем работы (40 лет +++ ?), вполне можно и научиться определять основные марки сталей, всего лишь по искрам. Никакой фантастики и народного фольклора... 

А теперь, предположим следующую ситуацию: привезли нас, в какую-то экспедицию, где мы нашли металлическую статуэтку. 

Предположим, мы уже знаем (убедились, в предыдущих экспериментах на практике), что наш условный «дядя Вася» — эксперт экстракласса, «болгарно-аналитических» работ по металлу. 

Однако, есть такое ненулевое подозрение, что, если он достанет свою болгарку на расстоянии меньше пушечного выстрела от этой статуэтки, то все участники экспедиции будут нас пинками гнать оттуда до Северного полюса! :-D 

Проблема, однако... А ведь статуэтка может быть ещё и каменной! (хмм, а ведь «заболгарить» каменную статуэтку, возможно, это идея... Впрочем, полагаю, что наши страховки по здоровью, не покроют потенциальный ущерб от других членов экспедиции :-D). 

Как быть? И тут нам на помощь придёт кардинально иной, точный, и весьма интересный способ, который позволяет производить анализ материалов объектов, без их физического разрушения — рентгенофлуоресцентный анализ.

Суть метода, заключается в том, что с помощью облучения рентгеновским излучением, вызывается принудительное свечение вещества, где взаимодействие  высокоэнергетических рентгеновских фотонов с атомами вещества, а конкретно с электронами, приводит к переходу их на более высокие энергетические уровни, откуда, электроны, после прекращения воздействия, возвращаются в прежнее состояние покоя, испуская при этом фотон, определённой энергетики, который будет типичен для конкретного типа вещества. 

Далее, имея в компьютерной программе, загруженную базу сигналов регистрирующего устройства, которые будут соответствовать разным типам веществ, можно понять и состав исследуемого объекта. 

В качестве устройства, для произведения такого анализа используют аппарат, соответственно, названный «рентгенофлуоресцентный спектрометр», который, как минимум, содержит излучатель и приёмник излучения. Где, например, излучателем может быть:

•  Рентгеновская трубка, устроенная, как вакуумированный объём, в котором находятся 2 электрода, один из которых (может быть нагреваемым или не нагреваемым) называется катодом (на рисунке ниже показан слева (К)) и служит в качестве излучателя электронов; второй электрод называется анодом (А) и бомбардируется электронами, в результате чего возникает рентгеновское излучение (называемое ещё «тормозным»).

  Для разгона электронов используется создание большой разности потенциалов между этими электродами (киловольты или, даже, мегавольты).
  
  Использование рентгеновской трубки хорошо тем, что такой источник весьма гибкий в настройке параметров излучения (достигается регулировкой параметров питания) и позволяет генерировать поток рентгеновских фотонов высокой энергетики и количества, что, в свою очередь, позволяет производить быстрый анализ. 

  Также, трубка является достаточно безопасной во время использования (когда выключена — пассивно не излучает). 

  Но, есть и минусы: требуется охлаждение*, система питания.

*Есть любопытный вариант рентгеновской трубки, который гораздо меньше греется, если сравнивать с раскалённым термокатодом стандартной трубки — это вариант трубки с фотоэмиссией, где испускание электронов стимулируется фотоспособом, с помощью облучения катода светом — когерентным лазерным источником или даже светодиодом. 

Плюсом такого подхода, помимо отсутствия нагрева, является моментальное срабатывание, без периодов нагрева/остывания, как у обычной рентгеновской трубки, а также возможность изготовления такого устройства весьма малого размера. 

Тем не менее, сложность производства такой трубки и сохранения её параметров без деградации, с течением времени, а также потребность в очень высоком уровне вакуума и трудности с фокусировкой получаемого с помощью такой трубки излучения, делают её больше «жительницей» лабораторий, чем реально используемым устройством (нагрев в работе, остаточные газы в вакууме, разрушающие фотослой (химическая реакция, разрушение поверхности ускоренными ионами газов))  ухудшают работу и уменьшают срок эксплуатации).

• Альтернативным вариантом является использование изотопов, в качестве источников излучения.

  Использование изотопов хорошо тем, что можно строить устройства, весьма малого размера, не требующие питания излучателя во время работы и его охлаждения, а узкий спектр излучения изотопа позитивно отличается от широкого спектра рентгеновской трубки и уменьшает количество шумов при анализе, что особенно может быть хорошо, для анализа заранее известного по составу образца. 

  Логичными минусами такого варианта является наличие излучения в состоянии покоя, а также отсутствие возможности настраивать энергетику излучения, как у рентгеновской трубки и, в результате, такие изотопные излучатели являются нишевыми решениями. 

Таким образом, рентгеновская трубка, позволяет произвести исследование на разных уровнях напряжения, что даёт возможность осуществить возбуждение элементов с разным весом ядра атома, от лёгких элементов до тяжёлых, где, например, для лёгких, может быть достаточным напряжение до 15 кВ, тогда как для тяжёлых может потребоваться уже повышение его до 50 кВ. 

В практическом смысле, замер выглядит таким образом, что рентгеновская трубка излучает фотоны широкого диапазона уровней энергий, которыми и облучается образец. 

В результате, на регистраторе устройства принимается большое количество фотонов, разных энергий, излучённых обратно образцом.

Тут надо отметить, что, так как мы облучаем образец высокоэнергетическими рентгеновскими фотонами - то в ответ мы тоже получим высокоэнергетические рентгеновские фотоны, только уже излучённые электронами образца, то есть, это также не будет видимым светом. Закон сохранения энергии, однако…

Процессор регистрирует все эти сигналы одновременно, а сами акты излучения/измерения могут быть произведены на разных питающих напряжениях рентгеновской трубки, последовательно. 

Далее, программное обеспечение анализирует пики спектра, сравнивая их с эталонными образцами, загруженными в память, в результате чего, в итоге выводится для пользователя готовый анализ состава образца, где, в процентном соотношении, показаны содержащиеся в нём компоненты.

При этом, если имеется желание, можно самостоятельно проанализировать и сырые данные, в виде спектра, где такой возможностью обладают, как ручные (выгрузив их данные на стационарный компьютер), так и стационарные анализаторы.

Сразу надо «обрадовать», что рыночная стоимость подобных анализаторов, в частности, ручных, весьма велика и может составлять, от примерно 30 тыс. долларов и выше.

Кроме относительной дороговизны (по крайней мере, насколько я понял, они малодоступны для рядового домашнего пользователя), стоит упомянуть и ограниченность по функционалу: такого рода анализаторы очень хорошо распознают практически любые неорганические материалы, но, возникают серьёзные проблемы (поправьте, если я не прав; любые корректировки в этой области будут интересны многим) — с распознаванием атомов, лежащих в основе многих видов органики: углерода, водорода, азота и т.д., где не распознаются не только сами атомы, но и молекулы.

Таким образом, если ещё более сузить область применимости подобного рода приборов, то, можно сказать, что их ниша — это определение типа атомов неорганических веществ, но не какой-либо органики, не говоря уже о каких-либо молекулах (поправьте, если это не так, мне самому будет интересно).

Кроме всего прочего, не стоит забывать и то, что устройство является излучателем рентгеновских лучей, а, соответственно, его покупка и эксплуатация накладывает кучу ограничений и регламентов (что проблемно даже само по себе), типичных, для такого опасного оборудования.

Если мы ещё несколько углубимся в тему, то мы узнаем, что рентгеновская спектроскопия является всего лишь одним из видов оптической спектроскопии, среди которых есть целый список.

Где, общей тенденцией является та, что, если высокая проникающая способность рентгеновского излучения позволяет произв��сти анализ образца на достаточно большую глубину (до миллиметров), тогда как менее высокоэнергетические излучения, способны лишь на проникновение в менее глубокие слои.

Однако, это больше касается непрозрачных объектов! Если объект прозрачный, то даже слабые по энергетике фотоны, позволяют анализировать его на довольно большую глубину! Например, поэтому, такие фотоны хорошо подходят для анализа растворов.

Однако, здесь есть такой нюанс, что не следует выбирать для анализа источник света с максимальной высокой энергетикой фотонов – «как наилучший», так как, к примеру, выбрав жёсткий ультрафиолет, можно вызвать разрыв связей органического вещества, вместо простой подсветки и анализа структуры.

Поэтому, на практике, анализ может быть произведён за ряд итераций, идя от наименее высокоэнергетических, до наиболее высокоэнергетических длин волн спектра, где при этом, низкоэнергетические фотоны позволяют выявить структуру (какие молекулы содержит), а высокоэнергетические – из каких атомов состоит. 

Таким образом, в сухом остатке получается, что, если нас устраивает только анализ относительно тонкого, поверхностного слоя объекта (при анализе непрозрачных объектов), то мы можем использовать непроникающие методы анализа; или, если объект прозрачный — то можем проанализировать его на всю глубину, с помощью тех же методов. 

Однако, если требуется рассмотреть объект на относительно большую глубину, требуется уже более функциональный метод, такой, как рентгенофлюоресцентный анализ. 

Либо же, пойти более простым путём (хотя, кого я обманываю, всё равно он не прост) — использовать испарение части объекта: лазерным лучом/электрическим разрядом/иным способом и анализировать полученный спектр свечения, производя спектральный анализ, чтобы найти в спектре характерные линии для компонентов состава объекта. 

Если у вас есть ещё идеи по анализу структуры вещества — будет интересно почитать!