Viele Gesteine und Organismen enthalten radioaktive Isotope wie U-235 und C-14. Diese radioaktiven Isotope sind instabil und zerfallen im Laufe der Zeit mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit. Wenn die Isotope zerfallen, geben sie Teilchen aus ihrem Kern ab und werden zu einem anderen Isotop. Das Elternisotop ist das ursprüngliche instabile Isotop, und Tochterisotope sind das stabile Zerfallsprodukt. Die Halbwertszeit ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der Elternisotope zerfallen ist. Der Zerfall erfolgt auf einer logarithmischen Skala. Zum Beispiel beträgt die Halbwertszeit von C-14 5.730 Jahre. In den ersten 5.730 Jahren verliert der Organismus die Hälfte seiner C-14-Isotope. In weiteren 5.730 Jahren wird der Organismus eine weitere Hälfte der verbleibenden C-14-Isotope verlieren. Dieser Prozess setzt sich im Laufe der Zeit fort, wobei der Organismus alle 5.730 Jahre die Hälfte der verbleibenden C-14-Isotope verliert.
Fossilien werden zusammen mit Gesteinen gesammelt, die aus den gleichen Schichten stammen. Diese Proben werden sorgfältig katalogisiert und mit einem Massenspektrometer analysiert. Das Massenspektrometer kann Auskunft über Art und Menge der im Gestein gefundenen Isotope geben. Wissenschaftler finden das Verhältnis von Elternisotop zu Tochterisotop. Durch den Vergleich dieses Verhältnisses mit der logarithmischen Halbwertszeitskala des Elternisotops können sie das Alter des fraglichen Gesteins oder Fossils bestimmen.
Es gibt mehrere gängige radioaktive Isotope, die zur Datierung von Gesteinen, Artefakten und Fossilien verwendet werden. Am häufigsten ist U-235. U-235 kommt in vielen magmatischen Gesteinen, Böden und Sedimenten vor. U-235 zerfällt zu Pb-207 mit einer Halbwertszeit von 704 Millionen Jahren. Aufgrund seiner langen Halbwertszeit ist U-235 das beste Isotop für die radioaktive Datierung, insbesondere von älteren Fossilien und Gesteinen.
C-14 ist ein weiteres radioaktives Isotop, das zu C-12 zerfällt. Dieses Isotop kommt in allen lebenden Organismen vor. Sobald ein Organismus stirbt, beginnt das C-14 zu zerfallen. Die Halbwertszeit von C-14 beträgt jedoch nur 5.730 Jahre. Aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit ist die Anzahl der C-14-Isotope in einer Probe nach etwa 50.000 Jahren vernachlässigbar, was eine Datierung älterer Proben unmöglich macht. C-14 wird häufig bei der Datierung von Artefakten von Menschen verwendet.