在1941年1月，美国物理学家路易斯·特纳发表了一篇题目为《来自铀-238的原子能》论文。文章认为，大部分铀-238的裂变能量即使不能直接利用，也可能间接利用。因为用中子轰击铀，存在把部分铀转变为铀后元素的可能性。当铀-238的一个原子俘获一粒中子后，就成为同位素铀-239。这种物质也可能裂变，但无论铀-239是否裂变，它在能量上都是不稳定的，很可能由于放射出β粒子而衰变为几种比铀重的新元素，这些新元素中的一种或几种可能由于慢中子产生裂变，这就使铀-238间接地得到利用。
在元素周期表中，铀后面第一个元素应是第93号元素，特纳认为第93号元素可能衰变成第94号元素。第94号元素在吸收一个中子时，比轻一点的铀同位素更可能产生裂变，因此推测它具有更大的裂变截面。自从费米寻找铀后元素失败后，许多核物理学家都致力于探索铀后元素的研究中来。1939年当哈恩发现裂变的消息传到美国后，伯麦克米伦利用劳伦斯的回旋加速器，来探索在裂变发生的同时到底有没有铀后元素产生。经过几个月的努力，他发现在铀核反应中，有一种半衰期为23分钟的产物可能是铀-239，另外有一种半衰期为2.3天的物质可能是第93号元素。
1940年，麦克米伦在实验物理学家的帮助下证实，随着半衰期为23分钟的铀-239的放射性活动的衰减，半衰期为2.3天的物质的放射性活动逐渐增强。这种半衰期为2.3天的元素就是第93号元素，他将它命名为镎。接着，麦克米伦发现镎不稳定，放射出β粒子而衰变，其产物可能是第94号元素。他猜测第94号元素也像铀-236一样，天然地放射α粒子。在1940年秋天，他终于证实了有一种放射α粒子的物质不是镤、铀或镎的同位素，它很可能是第94号元素。他准备进行科学分离。就在这关键的时候，美国国防研究委员会在麻省理工学院建立了一个大实验室。赞助人想请美国最负盛名的实验物理学家劳伦斯（1939年诺贝尔物理奖获得者）去当实验室主任。但劳伦斯不想离开伯克利，于是他说服手下最能干的麦克米伦去麻省理工学院。麦克米伦走后，他的同事西博格以麦克米伦合作者的身份进行第94号元素的分离工作。西博格决定采取两个途径：一是致力于研究已发现的一种强烈的α粒子放射物，希望能证实它就是在化学性能上与任何已知其他元素不同的第94号元素的一种同位素。与此同时，他们还准备大量生产出镎-239，研究它的衰变产物是否为第94号元素，并试图测定这种物质的裂变可能性。1941年1月9日，西博格把10克六水硝酸双氧铀放在152厘米的回旋加速器中进行6小时的轰击。第二天早晨，他们又对另外5克轰击了1小时。到了下午，他们通过电离室的测定知道，他们可以通过回旋加速器的轰击得到第94号元素。他们计算出每一公斤的六水硝酸双氧铀经过适当的辐照，可以由镎经过一段时间的β衰变得出0.6微克（约百万分之一克）的第94号元素。1941年1月20日，西博格找到了镎-238放射出β粒子后的产物。要确切地证明它就是第94号元素，还要进行化学分离。2月23日下午，西博格的助手沃尔发现，他可以用钍为载体把这种α粒子放射物从酸溶液中沉淀出来，不过他却不能把它与钍分离开。他向伯克利的一位化学教授请教，这位教授建议采用一种更强的氧化剂。当天晚上，沃尔试验用新的氧化剂分步沉淀，获得成功。钍从溶液中沉淀出来，而那种α粒子放射物则有足够的数量留在溶液中。实验至此，他们已将α粒子放射物与任何已知的元素分离开。因此可以断言，这种α粒子放射性是来自第94号元素。接下来，西博格又使用回旋加速器轰击1公斤六水硝酸双氧铀，结果得到微量的镎-239。对它进行浓缩后，放在一个小碟中，让它完全衰变成第94号元素。西博格将这种新元素称为“钚”。接着，西博格又通过实验证实钚-239可由慢中子产生裂变。
科学的进步往往需要有献身精神的人。西博格通过长期的实验，终于提炼出200毫克钚的样品，可是由于上呼吸道感染与过度疲劳综合症使他的高烧不退。无奈，他只好脱离工作岗位，去疗养一段时间。
1951年，西博格和麦克米伦发现了镎和钚，共同荣获诺贝尔化学奖。一分耕耘一分收获，他们开辟了超铀元素化学新领域，为化学的发展做出了突出贡献。钚的发现，也为原子弹的研制开辟了另一条途径。
第二次世界大战期间，西拉德等人为防止德国人抢先造出原子弹，动员著名科学家爱因斯坦上书美国总统罗斯福批准进行原子弹的研制，开始美国政府并不予以重视。直到1941年12月6日，日本偷袭珍珠港的前一天，才批准了美国科学研究发展局全力进行美国研制原子弹的步伐。于1942年8月美国制订了研制原子弹的“曼哈顿计划”。
曼哈顿工程由美国陆军工程兵负责，总部设在华盛顿。曼哈顿是纽约的精华所在，也被称为“美国的象征”。这个计划的保密程度非常严格，以至于连当时的国会议员杜鲁门也是几年后才了解真实情况的。整个工程由美国陆军工程兵建筑部副主任格罗夫斯将军负责。白宫授权政府开支22亿美元，投入人力50万。这是美国历史上一项伟大的创举。
格罗夫斯选用奥本海默为总设计师。奥本海默被授予这一职位可以说是当之无愧，他知识渊博、思想活跃，具有战略眼光和洞察力，以及潜在的组织才能，善于与各种领导打交道。更为可贵的是，他一工作起来就达到忘我的程度，是一位难得的人才。
奥本海默接受任职之后马上组织专家们研究了原子弹的基本形状、结构、尺寸等等。他们认为，原子弹形状应当像一个圆球，铀芯被包在又厚又重的金属壳内。外壳有两个作用：一方面它能在爆炸的最初千分之几秒内将爆炸物质约束住，不使其飞散；另一方面它又能把泄露到铀芯以外的中子部分地反射回去参与裂变过程。
仅用了短短的几周时间，奥本海默带同事们不仅研究和整理了已有的研究成果，还弄清楚了制作原子弹的步骤。澳本海默卓越的领导才能尽显其中。
奥本海默在洛斯阿拉莫斯实验室里，还设了一个专门研究原子弹的起爆机制的军械处。军械处的专家们想出了一种简单易行的办法：先造一个质量接近（绝不能达到）临界质量的核装药炸弹，然后，利用枪的原理，把另一块裂变物质做成核“子弹”，在击发时，将核“子弹”射到接近临界质量的核装药炸弹中，使这枚原子弹在瞬间达到或超过临界质量，从而立即发生爆炸。考虑到原子弹的效率，设计师要求当两块核弹药撞在一起时，至少有一个中子将肯定在两块东西有机会分离和破碎之前开始链式反应，这就需要一个起爆器——一个镭加铍中子源，或一个钋加铍中子源。让镭附在一块弹芯上，而让铍附在另一块上，以便在两部分猛撞在一起时，能射出中子，从而引发链式反应。
塞思·内德迈耶提出了他设想：在球形反射层周围装上一层球形的高效炸药，里面是一个具有厚壁的空心球形弹芯。在许多点同时点火以后，高效炸药爆炸后产生的冲击波会从四周挤压反射层，反射层又会挤压弹芯，其结果会把空心球形弹芯变成实心的球状弹芯。但是，几乎所有的科学家（包括奥本海默）都强烈反对。
奥本海默虽然怀疑内德迈耶的方法，但是，他深知原子弹的研制需要仔细的推敲，大胆的尝试。考虑到原子弹的起爆研究尚处于探索阶段，需要每个人的积极配合。如果采取简单的行政命令或少数服从多数的办法，给某种设想和建议判处死刑，可能会使研究工作受到阻碍。因此，奥本海默单独召见内德迈耶，对他富于创造性的思考给予了高度评价，并任命这位孤军奋战的勇士为新设的军械处内爆实验组组长，还给他配备了助手。内德迈耶不负众望，在其他科学家的大力支持下，终于完成了内爆设计的任务。
奥本海默对于世界一流的学术领导人的称号当之无愧，他力排众议，大胆鼓励和支持年轻人的设计，并为其提供必要的研究条件。
真理与磨难往往并存。越是天才的设计，能一下子了解其妙处的人越少，因而往往受到的阻力也越大。这就需要决策者慧眼识珠，更需要建议者相信自己的分析和判断，相信领导和同事们科学求实的精神和眼力，旁征博引，据理力争，把智慧的火花尽可能地放大，使它不仅照亮自己，也能照亮别人。
1945年7月16日凌晨，在新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠中进行了世界上第一颗原子弹的爆炸实验。凌晨两点，从洛斯阿拉莫斯或更远的地方来的客人开始到达离实验场32公里的观察地点。清晨，5点30分按动引爆装置。瞬间，好像无数的太阳同时放射出耀眼的光芒，立时出现了一个直径为2公里的巨大火球向空中升腾，转眼之间变成高达10000米的庞大蘑菇云，由于爆炸引起了飓风，并像地震一样震撼着沙漠的大地。安放原子弹的铁塔，已被几百万度的温度蒸发得无影无踪，留下了巨大的深坑，估计原子弹的爆炸当量约相当于2万吨TNT炸药。
有人回忆当时的场景说：“在爆炸的那一时刻，我正直视着它，没有带任何保护眼睛的东西。我看到先是一种黄色光辉，随后几乎全部都变成了一种压倒一切的白色闪光，光线是那样强烈，我什么也看不见了……在爆炸20或30秒后，我逐渐恢复了正常的视力。这一壮观的场面真令人吃惊。”
在大本营，令格罗夫斯难忘的不是让人炫目的闪光（他们都带着焊工的眼镜），而是在寒冷的沙漠清晨脸上所感受到的灼热。这就像打开一个熊熊燃烧的火炉，太阳从里面像日出那样冒出来。
1945年8月6日凌晨2时45分，三架美国B-29大型轰炸机从太平洋上的提尼安岛起飞，向距离3200公里的日本本土飞去。其中一架飞机里运载着一名“贵客”。“贵客”全身乌黑，状如鲸鱼，打扮漂亮，身高3.05米，身径粗0.7米，是个超重量的家伙，足有4吨多重。这就是以后闻名世界的第一颗原子弹。它是由核装料铀-235组成。这是“贵客”第一次乘机旅行。
运载“贵客”的飞机上，机组人员穿上了防弹衣，投弹手眼睛贴在瞄准器上，9时15分，瞄准点进入瞄准器十字线的中心。弹舱门自动打开了，细长的“炸弹”一头扎了下去。“小男孩”的下投，使飞机重量减轻了4吨多，机身猛然上跳。驾驶员操纵飞机做150°的急转弯，立即加速地脱离爆炸区，机组人员全部戴上了护目镜。与此同时，另一架飞机里飞出了三个降落伞，伞下面是一些试测仪器。
广岛的天空和地面非常平静，看见那三个降落伞的人们以为是敌机中弹，飞行员跳伞逃生，大部分日本人在这时仍然十分自信。可是，天空中突然发出一道闪光，看见它的人无法说出它是什么颜色。就在这一刹那，广岛几乎全部时钟都停止了，指针指在9时15分上。原子弹在离地面600米的高空爆炸，形成一个巨大的火球，火球发出的热变，使爆心附近千米范围内瞬时腾起浓烟大火。
广岛上空的大气被强大的冲击波搅动着，急速上升的原子云柱带上水蒸汽在高空又凝结成雨点，夹杂着放射性污染了的尘埃一块块落下来，曾是几十万人的熙熙攘攘、充满生命的城市，眼下却是满目疮痍、一片废墟。这就是“贵宾”原子弹带来的灾难，人员死伤20多万，广岛市区中心被夷为平地，近6万所房屋被破坏，12平方公里的土地被波及。
核轰炸广岛之后不久，1945年8月9日，另一枚名叫“胖子”的原子弹落在了日本长崎，重演了广岛的灾难。
在广岛和长崎投射原子弹的爆炸，震惊了全世界，从此原子弹作为大规模毁灭性武器，成了悬在人类头上的“达摩克利斯之剑”。而与此同时，一场全球性的核军备竞赛也悄悄开始了。核威胁的阴影逐渐笼罩全球。
西拉德早在1934年就思考过研制原子弹。后来他的想法更加具体了：裂变时会释放出两三个中子，这几个中子会击中新的铀核，使之再产生裂变，如此循环往复。于是，链式反应发生了。但是，由于原子内部的空隙非常大，原子核好比是万人体育馆里的一个乒乓球，很可能还没有击中原子核，就已经通过那广阔的空隙飞到铀块外面去了。如果每一代裂变产生出来的中子从空隙中跑掉得太多，那么，击中新核引起裂变产生出来的中子数目就会比上一代减少。果真如此，链式反应就不会持续下去。但是，如果铀块（或铀球）的体积足够大，那么，在裂变中产生的中子即使击不中近处的铀核，也会击中远处的铀核。这样，链式反应将会不断地持续下去。
假如链式反应持续下去，铀块的体积必须要有一个最小限度。核科学家把这个最小限度的体积称作“临界体积”，铀在临界体积时所具有的质量，则被叫做“临界质量”。他明确提出：“如果厚度大于临界值，我就可以制造出一次爆炸。”西拉德想的太超前了，许多人认为他是异想天开，有些人没有想这么遥远。不过，哈恩发现的核裂变已为人们敲响了警钟。
西拉德、费米都认为链式反应是可能的，并认真研究了能量的变化。他们认为，1公斤铀核裂变所生成的能量，同燃烧230万升汽油的能量相当，并且可以在约1%秒内完成。在如此短的时间内释放出如此巨大的能量，必然会产生摄氏几百万度的高温和几十万个大气压的压力，换言之，就会产生一次巨大的爆炸和一次致命的辐射，造成一种空前的大规模毁灭。这个爆炸性的消息一传开，立即引起科学家们的极大的关注。
科学家的研究证实，铀核裂变时能放出中子和巨大的能量是人们所知道的。但人们更关心的是每次裂变究竟能放出多少中子，因为这关系到究竟能否实现链式反应。经过许多科学家的努力，确定了每个铀-235核发生裂变，平均约放出2.5个中子。在天然铀中主要含有铀-235（占0.72%）和铀-238（占99.27%）两种同位素，人类实际上是利用铀-235来造成链式核裂反应。然而，不幸的是，后来原子弹等核武器的研制成功给全人类蒙上了一层阴影，整个地球都面临着遭受核武器毁灭性打击的巨大威胁。
