放射性同位素的原子核在质子与中子组成上处于能量不稳定状态，它将自动发生衰变而转变为稳定同位素。在衰变过程中初始放射性同位素称为母体，衰变成的同位素称子体。最主要的衰变形式有以下四种：α衰变、β衰变、K层捕获、γ衰变。例如：
地球化学原理（第三版）
实验表明：放射性同位素的衰变速率与尚未衰变的母体原子数成正比：
地球化学原理（第三版）
式中：N为t时存在的母体原子数；λ为衰变常数，表示单位时间内每个原子发生衰变的概率；负号表示N随时间减少。
对上述公式进行积分，可以得到：
地球化学原理（第三版）
这就是放射性同位素的衰变定律。它表明放射性同位素由N0个原子经过t时间，将按以e为底的负指数方程减少到N。放射性同位素衰变到剩下一半原子时所需的时间称为半衰期（T1/2 ），即到N=时所需的时间，半衰期与衰变常数的关系可由下式求得：
地球化学原理（第三版）
放射性衰变是一种核变化反应，只是时间的函数，它不受地球化学过程中的温度、压力、电磁场及其他各种物理化学条件的影响。因此，可以利用简单的衰变定律来测定含有放射性同位素的岩石与矿石的年龄。在岩石与矿石中由于只能测得剩下的放射性原子数（N），而不能直接得到原始的放射性原子数（N0），所以公式要进行适当变换。
设剩下的放射性母体量为P，放射性成因的子体量为D，则
地球化学原理（第三版）
因而：
地球化学原理（第三版）
或
地球化学原理（第三版）
此即放射性同位素测定地质年代的基本公式。只要测定矿物或岩石中的放射性母体量（P）及其衰变形成的子体量（D），并已知该放射性同位素的衰变常数λ，即可利用这一公式计算出该矿物或岩石的年龄。目前地质上测定年龄常用的一些放射性同位素的衰变常数及半衰期列于表3 1。显然，要使同位素测定年龄方法可用，还需具备的条件为：①放射性母体及其子体有一定的丰度，并有可靠精确的测定方法；②已知其衰变常数和半衰期，并且其半衰期应和矿物或岩石的地质年龄的数量级相近。因为如果半衰期很短，则经过一段时间后，母体已剩余很少；相反，半衰期若太长，则衰变产生的子体太少，而无法测定；③放射性母体（如40 K、238 U等）和放射性成因的子体（如40 A r、206 P b等）在体系形成后既没有外来加入，也没有丢失，保持封闭体系。另外，如有初始子体存在则必须能精确扣除其含量。
同位素年代学原理对所有放射性系列都是一样的，但不同的放射性系列中母体及子体元素的地球化学性质差异很大，例如钾、铀、氩、铅等元素的特性是迥然不同的。显然它们受地球化学条件的影响也不相同，这就是各种方法在地质应用上的主要不同之处。当然各放射性系列的元素在地质体中的含量不同，测定方法不同，精度不同，衰变常数不同等等，也使不同方法各具特点。
表3-1 某些天然放射性同位素的衰变常数及半衰期
目前，广泛应用于测定地质年龄的方法主要有钾-氩法、铷-锶法、钐-钕法、14C法和铀、钍-铅法等。