第二次世界大战期间，美国为了早于纳粹德国造出原子弹，制订了著名的“曼哈顿计划”。这个计划集中了当时欧洲和北美最优秀的核物理学家，动员了10万人，集中了庞大的工业及经济资源，耗资20亿美元，在保密的条件下，用了将近6年的时间，制造出了人类历史上第一批原子弹。原子弹的研制成功是科技史上最伟大的成就之一，标志着人类开始进入原子能时代。
计划的背景
“二战”开始时，美国在研制核裂变方面远远落后于德国。1938年3月，在德国柏林威廉皇帝研究所实验室里，物理学家奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼成功地进行了中子轰击铀原子核的实验，终于出现物理学界长期关注的核裂变效应。1938年12月22日，哈恩把关于核裂变的报告寄到《自然科学》杂志并正式发表。
1939年夏，传闻德国6位最优秀的核物理学家正在柏林参加秘密会议，讨论利用原子能的成果制造先进武器。对于这一传闻，德国政府未作任何解释，并且突然下令禁止铀矿从德国占领下的捷克斯洛伐克运出，严令封锁一切有关铀的新闻。移居美国的物理学家利奥·西拉德等人获悉这些消息后十分担忧，他们开始讨论如何促使美国政府注意德国抢先造出原子弹的问题。
1939年7月，西拉德亲往长岛拜访著名物理学家爱因斯坦，爱因斯坦得知西拉德的担忧后，立即表示愿意帮助西拉德。接着，西拉德又拜访了罗斯福总统的顾问亚历山大·萨克斯。1939年10月11日，萨克斯把爱因斯坦的信转交给罗斯福，并亲自对这封信的内容加以说明。罗斯福被萨克斯的论证深深打动，果断决定采纳爱因斯坦的建议，支持原子弹研究工作，并下令专门成立了一个铀顾问委员会。
1940年6月，万尼瓦尔·布什博士（时任华盛顿卡内基基金会主席）说服罗斯福建立由国防部门、各大学、私营工业代表组成的国防研究委员会。研究工作的焦点集中在如何分离浓缩铀235和如何产生裂变连锁反应的课题上。现在面临的问题是必须寻找一种足够数量的裂变材料。很快，这一问题被欧内斯特·劳伦斯解决。他用一架回旋加速器，将大量的铀元素铀235转换成一种新元素——钚，钚可以发生裂变和连锁反应。
“曼哈顿计划”的实施
1942年8月11日，美国研制原子弹的“曼哈顿计划”制订出来。9月17日，陆军工程兵团建筑部副主任莱斯利·格罗夫斯被任命为执行该计划的总负责人。遵照“曼哈顿计划”确立的两个原则：第一，造出能够结束战争的原子弹供给美国军队；第二，赶在德国人前头造出原子弹，必须高速进行“曼哈顿计划”。为此，格罗夫斯采取了强有力的措施。
1942年9月23日，格罗夫斯上任伊始，便成立了包括他在内的三人委员会，罗斯福总统的科学顾问布什任主席。原子弹研制工作的指挥权，由新计划领导机构曼哈顿工程区接管，其他任何人不得干预。一切重大问题，格罗夫斯通过布什向总统汇报。此外，美国通过交涉，控制了比属刚果的铀矿石，解决了铀矿的问题。
1943年秋天，美国为“曼哈顿计划”专门组织了代号为“阿尔索斯”的特别军事情报小组。这个小组的主要任务是搜集德国在原子能方面的情报，其中包括铀矿来源，德国核物理学家的工作地点和家庭住宅，核物理实验室和工厂的位置，以此确认德国在研究原子武器方面的进展程度。一旦有必要时，就抢先占有或加以摧毁。
“曼哈顿计划”的主要内容主要有两个方面：一是生产足够数量的裂变材料，二是设计和研制原子弹。如何生产裂变材料，从理论上说，有5种方法可以生产裂变材料铀235或者钚，但是哪种方法在实际操作中都没有进行工厂设计和生产的可靠资料。为获得足够数量的裂变材料和加速造出原子弹，格罗夫斯采取了多管齐下的方针。首先在华盛顿州的汉福特建立了分离钚的工厂；在田纳西的橡树岭先后建立了分别采用电磁分离法、气体扩散法和热扩散法生产浓缩铀235的工厂；在新墨西哥的洛斯阿拉莫斯成立了由罗伯特·奥本海默负责的专门实验室，设计和制造实战用的原子弹。
1942年12月2日，在费米的指导下，芝加哥大学建成了世界上第一个实验型原子反应堆，成功地进行了可控的链式反应。1944年3月，橡树岭工厂生产出第一批浓缩铀235.奥本海默领导的制造原子弹的工作，于1943年春在洛斯阿拉莫斯的实验室开始，1945年7月12日，一颗试验性原子弹开始最后装配，7月16日上午5点半，在新墨西哥州阿拉莫戈多的一片沙漠地带，世界上第一颗原子弹爆炸成功。
