방사성동위원소는 스스로 붕괴하며 에너지를 잃는다. 이때 붕괴 전의 불안정한 원소를 모원소라 하고 안정하게 된 원소를 자원소라고 부른다. 예를 들어 우라늄이 붕괴되어 납으로 변할 경우에는 우라늄이 모원소이고 납이 자원소이다. 모원소가 붕괴하여 자원소가 될 때 자의 수가 절반으로 줄어드는 데에 걸리는 기간을 반감기라고 한다. 처음 절반이 되는 데 걸리는 시간과 그 절반이 다시 반이 되는 데 걸리는 시간은 같다. 원소에 따라 반감기의 기간은 다양하다. 학자들은 이 반감기를 이용해 암석이나 오래된 유물들의 연대를 측정한다. 방사성 물질이 방사하는 방사선의 양은 방사성 핵종에 고유한 시간 T를 지나면 항상 그 세기가 반으로 줄어든다. 즉 방사성 물질 중의 방사성 핵종은 시간 T를 경과할 때마다 핵종의 수에 관계없이 항상 반으로 감소되는데, 이 시간 T를 반감기라 한다. 반감기 중에서 짧은 것은 1/100만 초 이하이며, 긴 것은 150억 년 이상이 된다. 방사성 핵종의 총수는 N=N₀로 표시된다. 여기서 N은 현재의 방사성 핵종 수, N₀는 시각 0일 때의 방사성 핵종의 수이다. 이 때 단위시간당 붕괴되는 핵종의 수의 비율은 λN이며 현재의 핵종수에 λ를 곱한 것이 된다. 이런 의미에서 λ를 붕괴상수라고 한다. 반감기 T와 붕괴 상수 λ사이에는 T=0.693/λ의 관계가 있다. 예컨대 1g의 ²³⁸U은 2.53×10²¹개의 핵종을 포함하고 있다. 또 반감기는 4.51×10⁹ 년이며 λ는 0.487×10¹⁷/S이다. 따라서 1g의 ²³⁸U에서는 매초 1.23×10⁴개, 즉 약 1만 개의 붕괴가 진행된다. 일반적으로 반감기는 방사성 핵종의 특징을 나타내는 하나의 물리량으로서 동위원소에서 핵종을 선택하는 데 중요한 요소가 된다. 또한 반감기는 핵종에 따른 고유한 값이므로 자료 내의 방사성 핵종과 그 붕괴생성물의 존재비로부터 그 자료의 경과 연수를 추정할 수 있으므로 고고학 등에서 이용되고 있다.