Под плазмой понимают квазинейтральную среду, содержащую положительно и отрицательно заряженные частицы. Под такое определение попадают, например, растворы электролитов и полупроводниковые вещества, но далее речь будет идти о газоразрядной плазме, которая реализуется при низких давлениях (10^-2-10³ Па). Это частично ионизованный газ (степень ионизации меньше 10^-4), в котором концентрация заряженных частиц (электронов, положительных и отрицательных ионов), достаточная для обеспечения квазинейтральности, поддерживается за счет ионизации атомов или/и молекул плазмообразующего газа ударами электронов, ускоряемых во внешнем электрическом поле. Это поле может быть постоянным (разряд постоянного тока) и переменным (высокочастотный, сверхвысокочастотный разряд и разряд оптического диапазона). Типичными бытовыми примерами газоразрядной плазмы являются лампы дневного света и трубки световой рекламы.

Ввиду большого различия в массах заряженных частиц энергию от внешнего поля приобретают преимущественно электроны (Рис.1.). Их столкновения с частицами плазмообразующего газа приводят к ионизации (образованию электрона и положительного иона), и условием стационарного существования плазмы является равенство скоростей образования и гибели заряженных частиц. Поскольку энергия ионизации молекулы превышает энергию возбуждения любых ее внутренних степеней свободы, то в плазме одновременно происходят образование вращательно-, колебательно- и электронно-возбужденных состояний молекул, в том числе и излучающих, а также их распад (диссоциация). Образовавшиеся под действием электронного удара частицы могут реагировать как между собой, так и с материалами, находящимися в контакте с плазмой. Таким образом, плазма представляет исследователю широкий набор химически активных частиц, источником образования которых является не тепловая, как в классических технологических процессах, энергия, а энергия внешнего электрического поля. Это же обусловливает еще одну важную особенность такой системы - ее неравновесность. Непрерывно приобретая энергию, электроны путем соударений передают ее атомам и молекулам. Однако ввиду относительно низкой эффективности этой передачи возникает большая разница между поступательной энергией электронов и тяжелых частиц. Функция распределения электронов по энергиям не является максвелловской, то есть ее нельзя характеризовать таким параметром, как температура. Она начинает зависеть от состава газовой фазы и напряженности электрического поля. Если пересчитать среднюю энергию электронов в соответствующие тепловые единицы, то типичные значения "температуры" электронов составят 30 000-100 000 K. При этом температура, соответствующая поступательной энергии тяжелых частиц, мало отличается от комнатной. По этой причине газоразрядную плазму низкого давления еще называют низкотемпературной или холодной. Сочетание низкой газовой температуры с высокой химической активностью делают такую плазму перспективным инструментом для обработки нетермостойких материалов, и в частности полимерных.

Необходимо отметить еще одно важное преимущество низкотемпературной плазмы, связанное с ее неравновесностью. Известно, что в химической реакции принимают участие не все частицы, а только те, энергия которых (поступательная или внутренняя) превышает определенную величину (энергию активации реакции). В равновесных условиях тепловая энергия статистически распределяется по всем степеням свободы частиц в соответствии с законом Максвелла-Больцмана. Согласно этим законам, все компоненты раствора, даже не принимающие непосредственного участия в целевой химической реакции, получают энергию, а концентрации возбужденных состояний частиц, которые и являются наиболее реакционноспособными, всегда меньше, чем концентрации частиц в основных состояниях. По этой причине энергетическая эффективность химических реакций (отношение энергии, затрачиваемой на осуществление реакции к полной) является невысокой. Для неравновесных условий имеется возможность селективного направления потока энергии для активации нужных компонентов химически реагирующей системы. Сказанное справедливо для всех неравновесных систем, например радиационных и фотохимических. Что касается низкотемпературной газоразрядной плазмы, то такое управление возможно путем выбора соответствующих внешних ее параметров. В качестве примера на рис. 2 представлены доли энергии, затрачиваемые электронами на возбуждение различных состояний в плазме кислорода. Эти доли являются функцией приведенной напряженности электрического поля E/N (E - напряженность поля, N - суммарная концентрация частиц плазмы). Величина E/N примерно обратно пропорциональна давлению. Таким образом, при высоких давлениях основная часть энергии расходуется на возбуждение колебательных состояний молекулы О₂ , а при низких - на возбуждение электронных уровней. Такая ситуация является типичной для всех молекулярных плазмообразующих газов, что позволяет реализовать концентрации химически активных частиц гораздо более высокие, чем наблюдались бы при такой же газовой температуре в равновесных условиях. Так, например, в плазме воздуха и азота при газовых температурах ~ 300-400 K реализуются такие концентрации колебательно-возбужденных молекул N₂ основного состояния, которые могут быть достигнуты в условиях равновесия при нагреве до 5000-10 000 К.

Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную – до 100 тыс. градусов и высокотемпературную – до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы – плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000 – 10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды.

Под плазмой понимают квазинейтральную среду, содержащую положительно и отрицательно заряженные частицы. Под такое определение попадают, например, растворы электролитов и полупроводниковые вещества, но далее речь будет идти о газоразрядной плазме, которая реализуется при низких давлениях (10^-2 – 10³ Па). Это частично ионизованный газ (степень ионизации меньше 10^-4), в котором концентрация заряженных частиц (электронов, положительных и отрицательных ионов), достаточная для обеспечения квазинейтральности, поддерживается за счет ионизации атомов или/и) молекул плазмообразующего газа ударами электронов, ускоряемых во внешнем электрическом поле. Это поле может быть постоянным (разряд постоянного тока) и переменным (высокочастотный, сверхвысокочастотный разряд и разряд оптического диапазона). Типичными бытовыми примерами газоразрядной плазмы являются лампы дневного света и трубки световой рекламы (рис.1.).

Если пересчитать среднюю энергию электронов в соответствующие тепловые единицы, то типичные значения "температуры" электронов составят 30000 – 100000 K. При этом температура, соответствующая поступательной энергии тяжелых частиц, мало отличается от комнатной. По этой причине газоразрядную плазму низкого давления еще называют низкотемпературной или холодной.

Низкотемпературная плазма в настоящее время широко используется для решения не только разнообразных научных, но и конкретных производственных задач. Наиболее привлекательные аспекты ее применения связаны с тем, что по сравнению с традиционными химико-технологическими процессами плазменные процессы не требуют использования каких-либо жидких растворов (то есть потенциально являются экологически чистыми), а также существенно менее энергоемкие.

По степени равновесности плазмы мы можем выделить (а) равновесную, (б) стационарную неравновесную и (в) нестационарную неравновесную плазмы. Для полного определения состояния термодинамически равновесной плазмы достаточно знать ее температуру и давление (плотность). Все остальные характеристики определяются из термодинамических соотношений. Функции распределения задаются распределениями Максвелла и Больцмана. Излучение находится в равновесии с поглощением. К сожалению, даже в виде некоторого приближения реальную плазму очень редко можно считать равновесной.

Гораздо чаще встречается плазма либо полностью, либо частично неравновесная. Прежде всего, неравновесность появляется по отношению к излучению, для которого она оказывается прозрачной во многих
спектральных диапазонах. В этом случае собственное излучение свободно выходит за ее пределы, и становится невозможным выполнение принципа детального равновесия. Если же скорости прямых и обратных реакций начинают различаться и для других процессов, степень неравновесности плазмы возрастает.

Например, в плазме, помещенной во внешнее электрической поле, может произойти “отрыв” электронной температуры от ионной. Еще одним вариантом нарушения равновесия может быть неравновесное распределение по возбужденным состояниям. Заметим, что существуют некоторые частичные равновесия, отличные от полного термодинамического равновесия.

Неравновесная плазма может быть, тем не менее, стационарной, т.е. ее параметры будут сохраняться в течение длительного (по сравнению с временами релаксации) времени. В противном случае плазма будет, кроме того, и нестационарной.

Плазма часто бывает пространственно-неоднородной. Например, плотность плазмы тлеющего разряда падает по мере приближения к стенке трубки до нуля, что не мешает ей быть стационарной. Наличие в ней внешних полей создает потоки заряженных частиц и возмущает функцию распределения. Другим примером пространственно неоднородной плазмы является плазма, созданная испарением лазером в вакууме твердой мишени. Однако, вследствие ее очень высокой плотности и больших скоростей релаксации, на начальных этапах разлета состояние такой плазмы может оказаться близким к  термодинамически равновесному. Для подобных неоднородных плазм вводят понятие локального термодинамического равновесия. Под ним понимают состояние, близкое к термодинамически равновесному для каждой точки объекта. Чаще всего полного равновесия не возникает из-за больших длин пробега фотонов (см. далее), что нарушает “локальность”. Исследование состояния различных плазм, включая их компонентный состав и распределение по состояниям, при заданных внешних условиях есть одна из основных задач физики низкотемпературной плазмы. Поскольку, в отличие от высокотемпературной плазмы, число взаимодействующих специй (нейтральных и заряженных частиц, а также фотонов) может быть очень велико, необходимо хорошо ориентироваться в кинетике их взаимодействия и хорошо представлять относительную важность того или иного процесса. Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению конкретных реакций, необходимо освоить основные понятия и изучить общую классификацию газофазных реакций.