原子弹的出现，与其他科学技术上的发明一样，有着自己的发生和发展过程。早在19世纪初，人们就已经知道自然界的物质成千上万，性质千差万别，它们都是由一些有限的基本元素组成的，而每种元素又是由许多化学性质相同的微粒——原子组成的。
1896年，法国物理学家贝克勒尔和波兰出生的年轻科学家居里夫人发现自然界有一些元素的原子核能自发地放出一些肉眼看不见的射线，这些射线可以使照相底片感光；元素在发出射线时，会释放出部分能量，同时它自身就转变成具有另一种性质的新元素。于是他们把元素的这种性质叫作天然放射性，把元素原子核的这种转变过程叫做核衰变。这不仅加深了人们对原子结构复杂性的认识，而且使人们意识到在原子核内蕴藏着巨大的能量。
首先找到利用核能途径的人是费米。费米出生在意大利罗马一个铁路职工家庭，年轻的时候曾在德国学习。他25岁就当上了罗马大学第一任理论物理学教授，1938年底移居美国。1934年，法国物理学家约里奥·居里夫妇宣布，他们用X粒子轰击铝、硼的时候，产生了人工放射物质。费米得知这一消息后，决定试用中子产生人工放射现象。费米按照元素周期表的顺序，从氢开始，用中子顺序轰击，当试验第八号元素氟时，得到了人工放射性。在接下来的试验中，他又发现在中子轰击铀时，产生了从未见过的新元素。1934年6月他宣布了这个发现，但并没意识到在这个实验中可能引起了铀的裂变。
1934年10月，费米的助手发现，当用中子轰击金属银来产生人工放射性时，有一种奇怪的现象，就是放在银附近的铝可能影响银的放射性。助手把这个现象报告了费米。在费米指导下做了进一步的实验，确定在中子源和银之间的铝板可以增加银在中子照射以后产生的放射性。铝是重物质，费米提出把铝换成石蜡，重新做实验。没想到，在中子源和银中间放置石蜡以后，竟使银的放射强度提高了100倍。怎样解释这种现象呢？费米提出慢中子效应：中子含有大量氢的物质的时候，和氢原子核——质子发生碰撞，速度变慢了，更容易被银原子核所俘获，所以产生的人工放射性更强。由于发现了中子效应，费米获得1938年诺贝尔物理学奖。
在费米发现用中子轰击铀可以产生超铀元素后，在巴黎的约里奥·居里夫妇和柏林的哈恩、梅特纳都认真研究了这个问题。1938年秋天，哈恩和斯特拉斯曼精确分析了中子轰击铀以后的产物，发现有钡存在。钡的原子量大约是铀的一半，这说明铀原子核在中子轰击下分裂成两半。哈恩把实验情况写信告诉了梅特纳。梅特纳立刻从数学上进行分析。她认为：每裂变一个原子可以放出大约两亿电子伏的能量。裂变反应的发现震惊了科学界，因为它说明铀分裂的时候可以放出两个中子，而这两个中子又可能引起两个铀核分裂，这样就能够从一个铀核裂变引起二、四、八、十六等等铀核裂变。这是连锁反应，它将释放出无比巨大的能量。
裂变反应正好是在第二次世界大战的导火线已经点燃的时刻发现的。移居美国的匈牙利物理学家西拉德等人，意识到可能利用核裂变制成有空前破坏力的原子弹。1939年7月，他在拜访了罗斯福总统的好友和私人顾问、经济学家萨克斯以后，又和爱因斯坦会晤，请爱因斯坦在给罗斯福的信上签名，信由萨克斯交给罗斯福。这封信阐述了研制原子弹对美国安全的重要性。罗斯福被这封信打动了，决定支持研制原子弹的工作。
1941年12月，美国政府决定大量拨款和充分利用科技力量研制原子弹。1942年，成立了美、英、加三国共同研制原子弹的委员会。同年8月，美国制定了研制原子弹的“曼哈顿计划”。“曼哈顿计划”大致有三方面的内容：生产钚，生产浓缩铀-235，研制炸弹。这三方面的工作由几支研究力量来完成。第一支研究力量由康普顿领导的芝加哥大学冶金实验室和杜邦公司组成，主要任务是生产足够数量的钚。第二支研究力量由劳伦斯领导的加利福尼亚实验室和几家公司组成，任务是用电磁法分离浓缩铀-235。第三支研究力量由尤里博士领导的哥伦比亚大学的代用合金实验室和几家公司组成，任务是用扩散方法生产浓缩铀-235。第四支研究力量是由奥本海默领导的洛斯·阿拉莫斯实验室，它的主要任务是得到足够的裂变材料，立刻制成实战用的原子弹。
1942年，关于怎样设计原子弹，它究竟应该有多大，谁都不知道。在研制过程中，设计出了两种炸弹型式：一种是“枪式”原子弹。它主要是通过增加核装药的数量达到超临界状态的。1945年美国投在日本的第一颗原子弹就是枪式原子弹。它的外形是个细长体，当量约为2万吨，核装药为铀-235，有效利用率为2％左右。因此，理论上只要裂变1千克铀-235就够用，但实际上却用了50多千克。虽然枪式原子弹效率低，但构造简单，容易制造。
一种是“收聚式”原子弹。它利用炸药的爆轰，形成一个向中心收缩聚拢的球面形状的压力波，从各个方向均匀地压缩核装药，并且越到中心压力越大。核装药受到强烈的压缩，密度大大增高，能够实现高度超临界现状，使比较多的核装药发生裂变反应，从而提高了它的有效利用率。美国投到日本的第二颗原子弹就是“收聚式”原子弹。
原子弹在第二次世界大战末期首次用于实战。1945年8月6日和9日，美国分别将一颗取名“小男孩”的铀弹和一颗取名“胖子”的钚弹投到日本的广岛和长崎，给这两个城市和居民造成巨大的破坏和伤亡，引起了世界各国的重视。1949年8月29日，前苏联也进行了第一次核试验。此后，美苏两国展开了长时期的核军备竞赛。
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