Altersbestimmungsmethoden mit radioaktivem Kohlenstoff wurden von dem amerikanischen Chemiker Willard Frank Libby und seinen Mitarbeitern seit 1947 entwickelt. Sie eignen sich für Datierungen in der Archäologie, der Anthropologie, der Ozeanographie, der Bodenkunde und jüngerer Gesteine.

Durch Stoffwechselprozesse bleibt das Niveau von Kohlenstoff 14 in einem lebenden Organismus in konstantem Gleichgewicht mit dem Niveau der Atmosphäre oder des Meeres. Mit dem Tod des Organismus beginnt Kohlenstoff 14 mit einer konstanten Geschwindigkeit zu zerfallen; der Kohlenstoff wird dann nicht mehr durch das Kohlendioxid in der Atmosphäre ersetzt. Der schnelle Zerfall von Kohlenstoff 14 begrenzt im allgemeinen den Datierungszeitraum auf ungefähr 50 000 Jahre, in manchen Fällen kann er bis 70 000 Jahre erweitert werden. Die Unsicherheit bei der Messung erhöht sich mit dem Alter der Probe.

Die Methode eignet sich für viele organische Substanzen (Algonkischer Umbruch - Grenze der fossilen Altersbestimmung) Die Genauigkeit der Messung hängt aber u. a. von der zugrunde gelegten Halbwertszeit und von Schwankungen in den Kohlenstoff-14-Niveaus der Atmosphäre ab. Die Halbwertszeit von radioaktivem Kohlenstoff 14 wurde 1962 von 5 570 ± 30 Jahre auf 5 730 ± 40 Jahre neu bestimmt. Dadurch mußten die vorher berechneten Zeitpunkte berichtigt werden. Wegen der Radioaktivität, die erst in jüngerer Zeit in die Atmosphäre gelangte, werden die mit radioaktivem Kohlenstoff berechneten Daten von 1950 verwendet. Die Zeitskala mit radioaktivem Kohlenstoff enthält aber auch noch andere Unsicherheiten; es können Fehler von 2 000 bis 5 000 Jahren auftreten. Das größte Problem ist die Verunreinigung nach der Ablagerung, die durch einsickerndes Grundwasser, durch Einlagerung von älterem oder jüngerem Kohlenstoff sowie durch Kontamination bei der Probennahme oder im Labor zustande kommt.

Mit dem Zerfall von radioaktivem Kalium 40 zu Argon 40 und Calcium 40 können Gesteine mit einem Alter von 200 bis 800 Millionen Jahren (mit Argon) bzw. von eins bis zwei Milliarden Jahren (mit Calcium) datiert werden. Kalium 40 kommt weit verbreitet in häufigen gesteinsbildenden Mineralien wie Glimmern, Feldspäten und Hornblenden vor. Problematisch ist das Entweichen von Argon, wenn das Gestein Temperaturen über 125 °C ausgesetzt war, denn dadurch wird das Meßergebnis verfälscht.

Mit dieser sehr genauen und zuverlässigen Methode können die ältesten Gesteine datiert werden. Sie basiert auf dem Zerfall von Rubidium 87 zu Strontium 87 und wird häufig auch dafür eingesetzt, um Kalium-Argon-Datierungen zu überprüfen, da sich Strontium bei geringer Erwärmung nicht verflüchtigt, wie es beim Argon der Fall ist.

Methoden mit Thorium 230

Thorium-Methoden eignen sich zur Datierung von Meeressedimenten. Das Uran im Meerwasser zerfällt in das Thoriumisotop Thorium 230 (Ionium), das sich in die Sedimente auf dem Meeresgrund einlagert.Thorium 230 ist ein Glied der Zerfallsreihe von Uran 238; es besitzt eine Halbwertszeit von 80 000 Jahren. Protactinium 231, das von Uran 235 abgeleitet ist, hat eine Halbwertszeit von 34 300 Jahren.

Das Blei-Alpha-Alter wird bestimmt, indem man den Gesamtbleigehalt und die Alphateilchenaktivität (Uran-Thorium-Gehalt) von Zirkon-, Monazit- oder Xenotimkonzentraten spektrometrisch bestimmt. Die Uran-Blei-Methode basiert auf dem radioaktiven Zerfall von Uran 238 in Blei 206 und von Uran 235 in Blei 207. Mit den Zerfallsgeschwindigkeiten für Thorium 232 bis Blei 208 kann man drei voneinander unabhängige Altersangaben für die gleiche Probe erhalten. Die ermittelten Blei-206- und Blei-207-Verhältnisse können in das sogenannte Blei-Blei-Alter umgewandelt werden. Die Methode wird am häufigsten für Proben aus dem Präkambrium benutzt. Als Nebenprodukt der Uran-Thorium-Blei-Altersbestimmung kann zusätzlich ein Uran-Uran-Alter, das aus dem Verhältnis Uran 235 zu Uran 238 abgeleitet wird, berechnet werden.