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在物理學上，一個放射性同位素的半衰期是指一個樣本內，其放射性原子衰變至原來數量的一半所需的時間。半衰期越短，代表其原子越不穩定，每顆原子發生衰變的幾率也越高。由於一個原子的衰變是自然地發生，即不能預知何時會發生，因此會以機會率來表示。每顆原子衰變的幾率大致相同，做實驗的時候，會使用千千萬萬的原子。

從統計意義上講，半衰期是指一個時間段T，在T這段時間內，一種元素的一種不穩定同位素原子發生衰變的概率為50%。“50%的概率”是一個統計概念，僅對大量重複事件有意義。當原子數量“巨大”時，在T時間內，將會有50%的原子發生衰變，從數量上講就是有“一半的原子”發生衰變。在下一個T時間內，剩下未衰變的原子又會有50%發生衰變，以此類推。但當原子的個數不再“巨大”時，例如只剩下20個原子還未衰變時，那麼“50%的概率”將不再有意義，這時，經過T時間後，發生衰變的原子個數不一定是10個（20×50%）

只有符合一級動力學的化學反應才具有穩定的半衰期數據，與核衰變不同的是，化學反應的半衰期數據並非一成不變，而是會受到温度因素的影響，對於一般的反應，當温度上升時，反應速率常數會升高，半衰期會相應縮短，反之則會延長。對於一些反應，確定反應的半衰期與温度的關係，會有助於預測反應機理。

非一級動力學反應的半衰期會隨着起始狀態的變化而發生變化，隨時檢測反應體系濃度的變化可以瞭解半衰期與起始狀態之間的聯繫，從而瞭解一個化學反應的反應級數和表觀速率常數。