Xác định niên đại bằng phương pháp đo phóng xạ dựa trên tốc độ phân rã đã biết và không đổi của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu vật, sinh ra các đồng vị con của chúng. Khi mẫu vật hóa rắn hoặc ngừng trao đổi vật liệu với môi trướng thì các thành viên của dãy phân rã được chốt trong vật thể, và việc xác định tỷ lệ các đồng vị liên quan cho phép tính ra khoảng thời gian (tuyệt đối) từ lúc quá trình chốt giữ bắt đầu, coi như sự kiện là hình thành, đến ngày nay.[8] Các đồng vị cụ thể và phương pháp đo thích hợp được lựa chọn cho nhóm các đối tượng mẫu vật cụ thể là khác nhau, tùy theo dải giá trị tuổi và các cơ chế tương tác với các đồng vị phóng xạ.

Địa chất học quan tâm đến dải từ triệu năm đến cỡ 4,54 Ga, lúc hình thành Trái Đất và là bắt đầu của đối tượng của địa chất học. Lịch sử phát triển hệ Mặt Trời dẫn đến hiện nay trên Trái Đất có mặt 3 đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã đủ dài và hàm lượng hiện đủ để đánh dấu sự kiện.[9] Khảo cổ học quan tâm đến khoảng thời gian gần đây, từ lúc xuất hiện người cổ xưa vào cỡ 1,2 Ma đến nay.

Có hai nhóm đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên khác nhau được dùng cho định tuổi. Tham số chính được nêu trong bảng.

Đồng vị nguyên thủy

Các đồng vị nguyên thủy là động vị có mặt từ khi hình thành hệ Mặt Trời. Do có thời gian bán rã dài một vài tỷ năm, nên đến nay vẫn còn có hàm lượng nhất định trong đất đá. Chúng dùng cho định tuổi đất đá trong địa chất học.

1. Thori là nguyên tố phóng xạ, trong đất đá tự nhiên có hàm lượng 3 - 30 ppm, trong đó đồng vị 232Th có chu kỳ bán rã là 14,05 tỷ năm. Họ phân rã 232Th có 12 nguyên tố và kết thúc ở đồng vị chì 208Pb.
2. Urani là nguyên tố phóng xạ, trong đất đá tự nhiên có hàm lượng 1 - 10 ppm, trong đó đồng vị là 238U (chiếm tỷ lệ 99,284 % U), có chu kỳ bán rã là khoảng 4,47 tỷ năm. Họ phân rã 238U có tổng cộng 18 nguyên tố và kết thúc ở đồng vị chì 206Pb.
3. Kali trong đất đá tự nhiên ở vỏ Trái Đất có hàm lượng dao động từ 0,1 - 5 %, trong muối mỏ kali như sylvit, carnallit,... thì trên 10%. Kali có một đồng vị phóng xạ 40K, chiếm 0,012% trong kali tự nhiên, có chu kỳ bán rã 1,25 tỷ năm và phân rã thành 40Ar (11,2%) bằng cách bắt điện tử và bằng bức xạ positron, cũng như phân rã thành đồng vị ổn định 40Ca (88,8%) bằng phân rã beta.

Tuổi cần xác định là thời điểm hình thành của đất đá cần nghiên cứu, và có hai phương cách sinh đất đá mà phương pháp phóng xạ tham gia giải quyết được.[10]

1. Các thể magma hay đá biến chất kết tinh hoặc hóa rắn, bắt đầu chốt giữ các sản phẩm của chuỗi phân rã phóng xạ, thường thực hiện với 232Th và 238U;
2. Các thể bùn sét lắng đọng, các thể muối kali kết tủa từ nước mặn, bắt đầu chốt giữ sản phẩm phân rã cúa Kali-40 (40K) phóng xạ là Argon-40 (40Ar).

Phép định niên đại này không áp dụng cho các đá có hàm lượng nguyên tố phóng xạ thấp và các thể đá rời rạc hoặc độ rỗng cao không thể giữ được các sản phẩm phân rã.

Các đồng vị tia vũ trụ

Các đồng vị này hình thành do tương tác với hạt năng lượng cao trong tia vũ trụ, và sau đó xâm nhập vào khối vật chất đối tượng nghiên cứu theo phương cách xác định nào đó. Các đồng vị dùng cho định tuổi là đồng vị có thời gian bán rã đủ dài, từ một vài chục ngàn năm đến vài triệu năm. Chúng dùng cho định tuổi các đối tượng thuộc kỷ Đệ Tứ trong địa chất học và trong khảo cổ học.

Điển hình cho quá trình hình thành đồng vị từ tia vụ trụ là trường hợp của 14C. Các neutron trong tia vũ trụ tương tác với hạt nhân Nitơ 14N trong khí quyển theo dạng phản ứng (n-p):

n + 14
N → 14
C + p

Đồng vị 14C là đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã là 5.730 năm.

Sau thời gian đủ dài phản ứng tạo ra và phân rã 14C cân bằng nhau, cho ra tỷ lệ đồng vị 14C trong CO2 trong không khí là xác định. Quá trình quang hợp của thực vật tiếp nhận cacbon từ CO2 trong không khí tạo ra chất hữu cơ, và từ đó làm thức ăn cho các sinh vật khác. Nó dẫn đến tỷ lệ đồng vị cacbon trong các mô hữu cơ của một cơ thể đang sống giống như trong CO2 của khí quyển.[11]

Khi sinh vật chết thì sự trao đổi cacbon ngừng lại. Phản ứng phân rã 14C làm tỷ lệ đồng vị 14C trong tổng lượng cacbon của mẫu vật giảm dần theo thời gian, với thời gian bán rã đã nêu.

Xác định được tỷ số đồng vị 14C trong tổng lượng cacbon, với một số hiệu chỉnh, sẽ xác định được thời gian từ lúc sinh vật chết đến ngày nay.[12]

Bảng các đồng vị sử dụng cho định tuổi

Đồng vị	Z	N	Thời gian bán rã	DM	DE keV	Nguồn gốc	Ghi chú
Berili-10	4	6	1,387 Ma	β −	556	Tia vũ trụ	Dùng để kiểm tra xói mòn đất, hình thành đất từ tàn dư đá và tuổi của lõi băng
Carbon-14	6	8	5,7 Ka	β −	156	Tia vũ trụ	Dùng cho Định tuổi bằng cacbon-14
Alumin-26	13	13	717 Ka	β +, EC	4004	Tia vũ trụ	Dùng cho định tuổi đá, trầm tích
Clo-36	17	19	301 Ka	β −, EC	709	Tia vũ trụ	Dùng cho định tuổi đá, theo dõi nước ngầm
Kali-40	19	21	1,24 Ga	β −, EC	1330 /1505	Nguyên thủy	Dùng cho định tuổi theo phương pháp K/Ar
Calci-41	20	21	99,4 Ka	EC		Tia vũ trụ	Dùng cho định tuổi đá carbonat
Bismuth-209	83	126	2,01×10 19 năm	α	3137	Nguyên thủy	Phân rã phát hiện năm 2003
Thori-232	90	142	14,05 Ga	α	4083	Nguyên thủy	Nguyên liệu hạt nhân thori, dùng trong định tuổi đá cổ
Urani-235	92	143	0,7 Ga	α	4679	Nguyên thủy	Nguyên liệu hạt nhân Urani
Urani-238	92	146	4,47 Ga	α	4267	Nguyên thủy	Đồng vị Urani chính, dùng trong định tuổi đá cổ
Chữ viết tắt: Z = Số nguyên tử; N = Số nơtron; DM = Kiểu phân rã; DE = năng lượng phân rã; EC = bắt giữ electron

Khái quát về đo đạc

Biểu thức toán học liên quan đến sự phân rã phóng xạ cho ra sản phẩm con trực tiếp (D, daughter) là [13][14][15]

D* = Do + N(t) (eλt − 1)

trong đó

t là tuổi của mẫu,D* là hàm lượng sản phẩm phân rã trực tiếp (daughter) hiện có trong mẫu,Do là hàm lượng sản phẩm phân rã trực tiếp có vào lúc hình thành mẫu vật (lúc tính tuổi), thường là bằng 0,N(t) là hàm lượng nguyên tố phóng xạ hiện thời có trong mẫu, được xác định là N(t) = Noe-λt, trong đó No là hàm lượng nguyên tố phóng xạ có vào lúc hình thành mẫu vật,λ là hằng số phân rã hay nghịch đảo của thời gian bán rã của nguyên tố phóng xạ.[16]

Lúc mới ra đời phương pháp phóng xạ thực hiện bằng cách đếm số phân rã và đo tổng hàm lượng nguyên tố, để tính ra tỷ số đồng vị. Cách đo này đòi hỏi khối lượng mẫu vật phải đủ lớn, cỡ vài trăm gram, và đo bằng hệ đo bức xạ có ổn định cao. Dẫu vậy thì độ chính xác không cao, và chỉ cho phép xác định tuổi đến cỡ 3 lần thời gian bán rã.

Từ những năm 1970 phương pháp đo phổ khối gia tốc đã thay thế để xác định hàm lượng các đồng vị, cho ngay ra tỷ lệ các đồng vị trong dải khối lượng và điện tích đồng vị cần đo. Nó không cần "đợi" các hạt nhân phân rã. Nhờ vậy có thể sử dụng phương pháp này cho những mẫu đo có lượng nhỏ (như là 1 hạt kê), và kết quả thu được nhanh và chính xác cao hơn, kéo dài khoảng thời gian định tuổi khả dĩ đến cỡ 10 lần thời gian bán rã, ví dụ với 14C cho phép định tuổi đến cỡ 50.000 năm trước.