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Calculating Exponential Decay with the Half-Life Formula
A half-life is the time it takes for exactly half of a quantity to decay — whether that’s a radioactive isotope, a drug in the body, or any other exponentially-decaying amount. Enter the initial quantity and half-life, plus either the elapsed time or the remaining amount, and this calculator finds the other value.
The Formula
N(t)=N0×0.5t/Tt=T×log2(NtN0)
where N0 is the initial quantity, T is the half-life, t is the elapsed time, and Nt is the remaining quantity at time t.
Worked Example
A substance with an initial quantity of 100 g and a half-life of 10 days:
After 20 days (2 half-lives): N(t)=100×0.520/10=100×0.25≈25 g remains.
That’s 25% of the initial quantity, after exactly 2 half-lives have elapsed.
Key Factors to Consider
A substance is never fully “gone” under pure exponential decay — the quantity only ever
approaches zero. This is a genuine mathematical property of exponential decay: the formula
produces an ever-smaller but never-exactly-zero remaining amount — in practice, a quantity
becomes negligible (rather than mathematically zero) after several half-lives, commonly
considered effectively depleted after around 5-7 half-lives.
Different substances have vastly different half-lives, from fractions of a second to
billions of years. Radioactive isotopes used in medicine often have half-lives of hours to
days, while some used in geological dating (like uranium-238) have half-lives measured in
billions of years — the same formula applies at every scale, only the half-life value changes.
Drug elimination half-life in the body follows the same math, but real biological elimination
can be more complex. Many drugs approximate simple exponential elimination reasonably well,
but some follow more complex multi-phase elimination patterns — a drug’s actual clinical
half-life should come from pharmacological data specific to that drug, not assumed to be a
perfect single exponential.
Carbon dating and similar techniques work by measuring the remaining fraction and solving for
elapsed time. This is exactly the “solve for time” direction of this calculator — knowing the
original and current amount of a radioactive isotope lets you calculate how long decay has been
occurring, the basic principle behind radiometric dating methods.
Common Mistakes
Assuming a substance is completely gone after a small number of half-lives. Exponential
decay never truly reaches zero — after 2 half-lives, 25% remains, not 0%; after 5 half-lives,
about 3% remains. “Effectively gone” is a practical approximation, not a mathematical certainty.
Thinking decay removes a fixed amount each half-life rather than a fixed fraction. Each
half-life removes half of whatever quantity remains at that point, not half of the original
amount every time — 100 g becomes 50 g, then 25 g, then 12.5 g, never dropping by a flat 50 g
each period.
Mixing time units between the half-life and the elapsed time. If the half-life is entered
in days, the elapsed time (or vice versa) needs to be in the same unit — entering one in days
and the other in years silently produces a meaningless result.
Using this calculator’s simple single-exponential model for a substance with a genuinely
multi-phase decay or elimination pattern. As noted above, a real drug’s clinical half-life
data (or a complex nuclear decay chain) may not follow one clean exponential curve — check
substance-specific data before treating this simple model as exact for a real-world case.
Useful to Know
Radiocarbon dating has a practical age limit, driven directly by carbon-14’s own half-life.
After roughly 8-10 half-lives (around 50,000-60,000 years, since carbon-14’s half-life is about
5,730 years), so little carbon-14 remains in a sample that measuring it reliably becomes
impractical — which is exactly why radiocarbon dating isn’t used for anything older than about
50,000 years. Older samples are dated with isotopes that have much longer half-lives instead, like
potassium-40 or uranium-238, using this same exponential-decay math.
Cálculo de la Desintegración Exponencial con la Fórmula de Vida Media
Una vida media es el tiempo que tarda exactamente la mitad de una cantidad en desintegrarse — ya sea un isótopo radiactivo, un fármaco en el cuerpo, o cualquier otra cantidad en desintegración exponencial. Introduce la cantidad inicial y la vida media, además del tiempo transcurrido o la cantidad restante, y esta calculadora encuentra el otro valor.
La fórmula
N(t)=N0×0.5t/Tt=T×log2(NtN0)
donde N0 es la cantidad inicial, T es la vida media, t es el tiempo transcurrido y Nt es la cantidad restante en el instante t.
Ejemplo resuelto
Una sustancia con una cantidad inicial de 100 g y una vida media de 10 días:
Después de 20 días (2 vidas medias): N(t)=100×0.520/10=100×0.25≈25 g quedan.
Eso es el 25% de la cantidad inicial, tras exactamente 2 vidas medias transcurridas.
Factores Clave a Considerar
Una sustancia nunca está totalmente “agotada” bajo desintegración exponencial pura — la
cantidad solo se aproxima a cero. Esta es una propiedad matemática genuina de la desintegración
exponencial: la fórmula produce una cantidad restante cada vez más pequeña pero nunca exactamente
cero — en la práctica, una cantidad se vuelve insignificante (en lugar de matemáticamente cero)
después de varias vidas medias, comúnmente considerada efectivamente agotada después de
aproximadamente 5-7 vidas medias.
Distintas sustancias tienen vidas medias enormemente diferentes, desde fracciones de segundo
hasta miles de millones de años. Los isótopos radiactivos usados en medicina a menudo tienen
vidas medias de horas a días, mientras que algunos usados en la datación geológica (como el
uranio-238) tienen vidas medias medidas en miles de millones de años — la misma fórmula se aplica
en cada escala, solo cambia el valor de la vida media.
La eliminación de fármacos en el cuerpo sigue la misma matemática, pero la eliminación
biológica real puede ser más compleja. Muchos fármacos aproximan razonablemente bien una
eliminación exponencial simple, pero algunos siguen patrones de eliminación multifase más
complejos — la vida media clínica real de un fármaco debe provenir de datos farmacológicos
específicos de ese fármaco, no asumirse como una exponencial simple perfecta.
La datación por carbono y técnicas similares funcionan midiendo la fracción restante y
despejando el tiempo transcurrido. Esta es exactamente la dirección “despejar el tiempo” de esta
calculadora — conocer la cantidad original y actual de un isótopo radiactivo permite calcular
cuánto tiempo ha estado ocurriendo la desintegración, el principio básico detrás de los métodos de
datación radiométrica.
Errores Comunes
Suponer que una sustancia ha desaparecido por completo después de un número pequeño de vidas
medias. La desintegración exponencial nunca llega verdaderamente a cero — después de 2 vidas
medias, queda el 25%, no el 0%; después de 5 vidas medias, queda aproximadamente el 3%.
“Efectivamente agotada” es una aproximación práctica, no una certeza matemática.
Pensar que la desintegración elimina una cantidad fija en cada vida media en lugar de una
fracción fija. Cada vida media elimina la mitad de la cantidad que queda en ese momento, no la
mitad de la cantidad original cada vez — 100 g se convierten en 50 g, luego 25 g, luego
12.5 g, nunca disminuyendo en una cifra fija de 50 g por período.
Mezclar unidades de tiempo entre la vida media y el tiempo transcurrido. Si la vida media se
introduce en días, el tiempo transcurrido (o viceversa) debe estar en la misma unidad —
introducir uno en días y el otro en años produce silenciosamente un resultado sin sentido.
Usar el modelo exponencial simple de esta calculadora para una sustancia con un patrón de
desintegración o eliminación genuinamente multifásico. Como se señaló anteriormente, los datos
clínicos reales de la vida media de un fármaco (o una cadena de desintegración nuclear compleja)
pueden no seguir una única curva exponencial limpia — consulta datos específicos de la
sustancia antes de tratar este modelo simple como exacto para un caso real.
Es Útil Saber
La datación por radiocarbono tiene un límite práctico de edad, determinado directamente por la propia vida media del carbono-14. Después de aproximadamente 8-10 vidas medias (alrededor de 50,000-60,000 años, ya que la vida media del carbono-14 es de unos 5,730 años), queda tan poco carbono-14 en una muestra que medirlo de forma confiable se vuelve poco práctico — precisamente por eso la datación por radiocarbono no se usa para nada más antiguo que unos 50,000 años. Las muestras más antiguas se datan con isótopos de vida media mucho más larga, como el potasio-40 o el uranio-238, usando exactamente estas mismas matemáticas de decaimiento exponencial.
Half-life is the time it takes for exactly half of a quantity to decay or be eliminated -- after one half-life, 50% remains; after two half-lives, 25% remains; and so on. It applies to radioactive decay, but also to drug elimination from the body, and other exponential-decay processes.
What is the half-life formula?
The remaining quantity is N(t) = N0 × 0.5^(t/T), where N0 is the initial quantity, T is the half-life, and t is the elapsed time. Solved for time, that's t = T × log2(N0/Nt) -- how many half-lives have passed, multiplied by the half-life itself.
Why is there no unit picker for time?
Only the ratio between elapsed time and half-life matters to the formula, so as long as both are entered in the SAME time unit (both in days, both in years, etc.), the math is correct regardless of which unit that actually is.
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