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核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。原子弹是核武器的一种，是主要利用核裂变原理制成的裂变武器。
二战爆发后，世界前3大强国，美国、德国、苏联都正式开始了原子弹的研制工作。在这3个国家中，德国启动原子弹计划的时间最早，然后是苏联，再然后是美国。虽然美国开始研制原子弹的时间比德国、苏联晚，但凭借更强大的国力，美国的原子弹工程进度逐渐超越了德国和苏联。
从1942年开始，美国广泛开展了原子弹的研究设计工作。1942年6月，美国的原子弹研制计划正式开始。1942年8月，美国的原子弹计划被命名为“曼哈顿计划”。1942年9月，格罗夫斯准将被任命为“曼哈顿计划”的负责人。罗斯福对原子弹的制造特别重视。“曼哈顿计划”被罗斯福赋予“高于一切行动的特别优先权”。在罗斯福的直接支持下，“曼哈顿计划”高速运转起来。
1942年12月，在芝加哥大学建成了世界上第一座核反应堆。这个核反应堆的成功运转论证了链式反应理论，为制造原子弹提供了可靠的理论基础。
1943年2月，在田纳西州诺克斯维尔市克林顿镇开始建设生产铀235的工厂，在华盛顿州汉福德开始建设生产钚239的工厂。
位于田纳西州诺克斯维尔市克林顿镇的铀235制造厂，被称为“克林顿工厂”。包括工厂、居民区在内的整片地区代号“橡树岭”。
位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯实验室，负责设计并最终制造原子弹，是整个“曼哈顿计划”的核心。
美国的原子弹，设计工作于1944年7月结束，10月开始制造。
美国使用原子弹的各项准备工作几乎与研制工作同时开始。美军在积极进行实战中使用原子弹的准备。
1944年9月，美军成立了执行投掷原子弹任务的第509大队。这个大队是在第393轰炸机中队的基础上组建起来的，成员都经过严格的筛选。美军第509大队拥有自己的运输、维修、后勤、通讯、警卫部队，实行严格的保密措施和纪律。为了适应将来投掷原子弹的需要，第509大队装备的B-29重型轰炸机进行了改装，扩大了弹舱及舱门，除机尾保留尾炮外，机上其他武器一律拆除。
1944年10月，美军第509大队开始从犹他州西部的温多佛机场起飞，在荒无人烟的索尔顿湖上空进行投弹试验。起初投的是模拟炸弹，后来在一些模拟炸弹里装进了炸药，以增加训练的真实感。
1944年12月，美军第509大队被派到古巴的巴蒂斯塔机场。在两个多月的时间内，美军第509大队进行了在海上长时间飞行的特别训练。训练的主要项目是高空目视投弹和雷达投弹。训练时采用单机飞行的方式，因此对每架飞机的领航员要求都非常严格。为了训练机组人员，使用了两种原子弹（即铀弹和钚弹）的模型。
1945年3月，美军第509大队分成了两部分，一部分进驻英国本土，一部分进驻提尼安岛。
在美国高层中，美国陆军部长史汀生是对美国研制原子弹的计划和原子弹的威力了解得最清楚的人。
1945年4月，格罗夫斯向史汀生提交了一份关于原子弹制造完成期限的报告，其中说道：“四个月以后，我们毫无疑问可以完成这种武器的制造，在人类历史上还从未有过比它更为可怕的武器。一枚这种炸弹可以毁掉整整一座城市”。史汀生同杜鲁门就美国使用原子弹的前景进行了一次长时间的谈话。史汀生表示他对原子弹研制工程的成功充满信心，保证说“7月初可以进行试验性爆炸，再过一个月原子弹就可以在实战条件下使用”。史汀生还对杜鲁门说“原子弹将会引起作战方法的革命性的变化”。
1945年7月初，美国制造出了3颗原子弹。1945年7月16日，在美国新墨西哥州阿拉莫戈多空军基地附近的沙漠地区，进行了世界上第一次原子弹爆炸试验。此次试验的结果是“令人满意的，而且比预料的要好”。
至此，美国对“曼哈顿计划”投入了20多亿美元，直接动用的人力超过60万。世界第一的综合国力，巨大的投入，终于让美国成为世界上第一个拥有原子弹的国家。
7月21日，杜鲁门收到了关于第一次原子弹爆炸试验的详细书面报告。看完这份报告后，杜鲁门心情大好，打赢世界大战的信心大幅度增加。
杜鲁门是这样想的：原子弹的威力如此巨大，这种武器现在可是美国独有啊；虽然有情报表明轴心国集团的老大德国也在搞原子弹，但德国的国力与美国相比有很大差距，原子弹的进度比美国慢，能否成功，什么时候成功就难说了；至少在未来相当长的一段时间内，美国将垄断着核武器；凭借如此有利的条件，美国即便不能彻底消灭轴心国集团，让这场世界大战以对美国非常有利的态势收场总是没问题的；哦，种种迹象表明，还有一个国家也在研制原子弹，这个国家不属于轴心国集团，但也不是美国的盟友，那就是斯大林领导下的苏联，不过苏联的国力不但与美国差距很大，还在德国之下，想必原子弹的进度比德国还慢。
历史上苏联因为苏德战争的影响，虽然在1942年恢复了中断的核研究，但正式启动原子弹计划的时间是1945年8月。在无苏德战争的本位面，情况不一样了，苏联不但没有中断核研究，而且正式开始研制原子弹的时间大大提前了。1942年4月，斯大林决定正式启动苏联的原子弹工程，比历史上提前了3年多。
杜鲁门在没有确切情报的情况下，认为苏联的原子弹工程进度肯定还在德国后面。在这一点上，杜鲁门的判断是错误的。苏联的原子弹工程进度确实比美国慢，但已经超过了德国。
虽然苏联的国力不如德国，启动原子弹研制工作的时间也比德国晚，但主要有两点因素导致苏联的原子弹工程进度逐渐超过了德国。一是苏联的体制更有利于集中力量办大事；二是苏联的情报机关搞到了大量与美国原子弹研制有关的情报，在这一方面，德国的情报机关就不怎么给力了。
1942年5月，苏联开始在中亚开采铀矿。1943年4月，苏联的第一座核反应堆建成，这也是欧洲第一座核反应堆。1943年下半年，苏联开始在乌拉尔、西伯利亚建设生产铀235、钚239的工厂。美国的第一次原子弹爆炸试验取得成功后，莫斯科很快得到了消息。斯大林表示“我们的原子弹进度得加快。”此时苏联的铀235、钚239制造厂已经接近完工，即将批量生产铀235、钚239。
美国成功爆炸了原子弹，这个消息在同盟国集团各国的高层中迅速传开。出于对轴心国集团突然进行核打击的考虑，同盟国集团暂时没有大张旗鼓地向广大军民宣传美国拥有原子弹的消息，以免这个消息被轴心国集团知晓。美国拥有了原子弹，不但杜鲁门等美国高层十分高兴，和美国一个阵营的英国、加拿大等国的高层也受到了很大鼓舞。尤其是坚决抗德的丘吉尔，美国成功爆炸原子弹的消息传到伦敦，这位英国首相立即高兴得哈哈大笑，好像是英国拥有了原子弹似的。
美国的第一批原子弹共3颗，爆炸试验用掉了1颗，还有两颗。怎么使用这两颗原子弹，美国军队高层内部有争议，杜鲁门一时也举棋不定。陆军参谋长麦克奈尔、空军参谋长阿诺德向杜鲁门建议用这两颗原子弹轰炸德国本土。海军作战部长金向杜鲁门建议用这两颗原子弹轰炸日本本土。杜鲁门也发电报询问前线将领的意见。太平洋战场的尼米茨的意见和海军作战部长金是一样的，即将这两颗原子弹投在日本本土。非洲战场的艾森豪威尔和布莱德雷则表示希望将这两颗原子弹交给他们使用。艾森豪威尔和布莱德雷在联名发给杜鲁门的电报中表示，曼斯坦因的部队日益强大，战场局势在向对西方盟军不利的方向发展，希望将这两颗原子弹用在非洲前线，两颗原子弹投下去可以轻易消灭德军两个王牌装甲师。
7月26日，杜鲁门决定了如何使用这两颗原子弹，那就是给德国本土和日本本土各来一颗。7月28日，两艘美军巡洋舰各搭载一颗原子弹，从美国本土出发，一艘开往英国本土，一艘开往提尼安岛。这两艘运输原子弹的美军巡洋舰，都有大批军舰护航。