核武器的诞生，源于近代原子物理学、核物理学和量子物理学的发展，从1895年历经40年凝聚十几位世界杰出科学家的智慧，奠定了核能在军事上的应用基础。[3]最终在美国国家战略的支撑下，世界上首个“核装置”——小工具于1945年7月16日在新墨西哥州的沙漠中成功引爆，当量为1.5万吨-2万吨TNT，比投在日本广岛的“小男孩”核弹当量略高。[4]1945 年 8 月 6 日和 9 日，美军在日本广岛和长崎上空引爆了两枚原子弹，造成约20万人死亡，迄今为止这是世界冲突中唯一一次使用核武器的事件。[5]
按照核反应类型，核武器可以分成裂变武器和聚变武器。[6]按照军事使用的目的，核武器可以分为战略核武器和战术核武器，[7]按照结构原理技术，又可以分为第一代到第四代核武器。[8]
根据《不扩散核武器条约》，中国、法国、俄罗斯联邦、英国和美利坚合众国为核武器缔约国[9][10]除了5个国际承认的核国家，还有印度、巴基斯坦、朝鲜3个自行“宣布”拥有核武器的国家和1个“模糊国家”以色列。[11]
1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线的穿透作用。随后贝克勒尔和居里夫妇先后发现了具有放射性的铀元素和钍元素。1898年，英国科学家卢瑟福根据居里夫妇的研究，提出了放射性衰变理论。1911年卢瑟福正式提出了原子核模型。卢瑟福与核武器有两个重要的预言：第一是在1920年预言了原子核内有不带电的“中子”，第二是预言将会有释放原子能量的毁灭性武器出现。[12]
1905年，爱因斯坦在德国著名物理学期刊《物理学纪事》连续发表了五篇论文。其中在6月份发表了《物体的惯性是否决定其内能》一文，阐述了“狭义相对论”和著名的方程式：E＝mc2。[13]这一公式揭示了质量和能量的关系，显示在微观世界内部蕴藏着巨大的能量。[12]1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔揭示了新的原子结构模型。相对于卢瑟福的原子模型，波尔将普朗克的量子论和爱因斯坦的光量子理论应用到新的模型中，认为电子是在原子核周围的一定轨道上高速旋转，只有电子在轨道跃迁时才释放或者吸收量子化的能量，从而建立了玻尔的“定态”原子模型。[14]1933年匈牙利物理学家利奥·西拉德在移居英国后，开始从理论上探讨实现核链式裂变的可能性，他是最早认识到中子是核链式裂变反应关键的科学家。[15]
相对于太阳这样宇宙中存在的聚变体，地球上很难发现自然的裂变。1934年，意大利科学家费米曾经用中子轰击铀-238，已经得到了核裂变产物，但是费米却不认为是裂变反应。最终在1939年1月奥地利科学家迈特纳和他的外甥弗里施，正式宣布铀可以被中子轰击而引发裂变。几乎在同时，玻尔就和惠勒就提出了原子核裂变的“液滴”模型，不但描述了铀原子裂变的机制，而且点明了铀-235比铀-238更容易吸收慢中子引发核裂变。[16]
玻尔的研究就是在美国举行的第五届国际理论物理研讨会上公布的，随即已经移民美国的费米和西拉德组织了专门研究核裂变的“哥伦比亚小组”，使用哥伦比亚大学的回旋加速器加速氘核并轰击铍( Be) 来产生中子，再用中子轰击铀核。而美国科学家的发现是研制成功了高纯度的石墨来作为中子减速剂，这是美国在研究核裂变上领先德国的一个重要原因。[17]
最初美国的研究进展缓慢，1941年春天英国发表了一份报告，确认原子弹是可能的，并敦促与美国合作。美国成立了S-1委员会对原子弹研究力量进行重组，通过万尼瓦尔·布什领导的科学研究与发展办公室进行管辖。然而随着项目从研究进展到开发，布什意识到缺乏资源，最终选择向陆军寻求支持。1942年8月13日，“曼哈顿计划”正式成立。[18]
1942年8月13日陆军工程兵团上校马歇尔奉命，在工程兵团内建立一个新工程区，以便完成建造原子弹的特殊任务。这个工程称为曼哈顿工程区，与这个曼哈顿工程有关的工作，被称为“代用材料研制计划”。1942年9月17日，国防部长任命工程兵团准将格罗夫斯完全负责有关“代用材料研制计划”的一切事项。曼哈顿工程区取自该工程座落在纽约市的总部的名宇。总部为原子弹计划提供行政、建设以及日常供应的任务。这个名称起了有效的掩饰作用，后来又取代了军方内部的称呼，将原子弹研制计划称为“曼哈顿计划”。“曼哈顿计划”从组织上还包括橡树岭的核原料生产计划，主要承担代号X-10的钚生产任务、代号Y-12的浓缩铀电磁生产、代号K-25的浓缩铀气体扩散生产和代号S-50的浓缩铀液体热扩散生产，还有新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的原子弹制造计划（代号Y）、芝加哥的核反应堆、汉福德的后处理工厂以及代号P-9的重水生产计划。[19]
1944年6月时，曼哈顿计划拥有员工12.9万人左右，包括8.45万名建筑工、4.05万名工厂操作员和1800名军事人员。1年后随着建设工程陆续完工，员工总数量降低到10万人，但军事人员增加到5600人。1943年，格罗夫斯从战时劳动力委员会处取得了临时劳动力优先权。1944年3月，战时生产委员会和战时劳动力委员会赋予曼哈顿计划最高优先权。[20]
1945年7月16日，在新墨西哥州阿拉莫戈多附近的一个沙漠地区，第一颗原子弹成功引爆。曼哈顿工程还制造了两枚原子弹。1枚是用铀材料制作的“小男孩”核弹，另一枚是用钚材料制作的“胖子”核弹。[21]
德国在二战前从人才、资源和工业能力上都具备了制造原子弹的条件。从人才上看，从1901-1939年德国获诺贝尔自然科学奖的人数排在世界首位，德国科学家对原子理论也很深入。从资源上看，德国占据了捷克的铀矿，本国也发现了新的铀矿，还抢到了比利时在非洲的铀矿石库存，可满足研制原子弹的需要。从工业水平上看，德国在金属冶炼、机械制造等方面，具备制造原子弹的工业能力。[22]
1939年4月，德国核物理学家、 汉堡大学教授保罗 · 哈特克给德国陆军部写信，透露物理学的发展使得发展新型大威力武器成为可能。德国陆军部在1939年9月召开两次会议，正式成立了“铀计划”（Uranprojekt），制定军事利用核裂变的研究计划。柏林威廉皇家研究院物理研究所被定为“铀计划” 的科研中心，1932年物理学诺贝尔奖获得者海森堡担任所长，直接隶属陆军部军备规划局领导。[23]
但是德军在1941年丧失主动权后，德国的“铀计划”也遭到了影响。这是因为纳粹德国不得不将有限的资源集中到现有装备的生产。为此，陆军部将“铀计划”的大部分任务转交给教育部，连必要的经费都无法满足。1942年，海森堡直接向军备部长施佩尔抱怨缺乏经费和材料，导致德国研究已经落后于美国。但是希特勒对此已经失去兴趣。德国科学家向施佩尔报告称，即便得到全力支持，也需要3-4年才能研制原子弹，最终施佩尔彻底放弃了研发原子弹的计划，将“铀计划”改为开发一种核能发动机。[24]
此外从1943-1944年，盟军的特工人员和轰炸机不断破坏德国在挪威的重水工厂。 到了1944年6月盟军实施诺曼底登陆，德国的“铀计划”已经陷入停顿。 美国和苏联先后组织由军事、 情报和科学家参加的侦察小分队，到德国抢夺搜捕“铀计划”的相关人员和设备。[25]1945年初，“美国组织的“阿尔索斯”突击队找到了海森堡等数名科学家以及大量“ 铀计划” 的实验设备、铀料、重水以及档案文件。而苏联也俘获了一些德国“铀计划”研究人员。[26]
德国“铀计划”的失败，首先是德国无法承受实施原子弹研究的大科学计划，德国在战时严重缺乏战略资源，资金和熟练的劳动力。其次是德国的“铀计划”缺乏高层的统一规划和坚强支持。第三是希特勒的种族歧视政策，导致大量犹太科学家的流失，削弱了自身的研发能力。[22]
二战前日本在核物理研究领域和欧美水平相差不大。日本在1937年还邀请玻尔到国内进行交流访问以促进核能方面的研究。这些都促使日本的核物理研究达到国际水平。1937年日本核物理学家仁科芳雄研制出了小型回旋加速器，并开始原子核的分裂实验，而仁科芳雄也开始担心美国人将研制对付日本的裂变武器。[27]
在二战爆发后，日本形成了陆军和海军两条平行的原子弹研发路线，即陆军的“ニ号研究”和海军的“F计划”。1940年，陆军航空技术研究所所长安田武雄通过询问仁科芳雄，向时任陆军大臣的东条英机等陆军高层进行汇报时称，“实现铀分裂的理论，用工程学的方法能制造威力巨大的新式武器 。”东条表示同意进行核武器开发。1943年1月仁科芳雄提交秘密报告，称“制造原子弹是可能的”。东条英机命令仁科研究室进行秘密的“ニ号研究”（ニ代表仁科芳雄）， 并由航空本部直接管辖。[28]
在海军方面，日本海军技术研究所在1939年成立了“原子核物理研究工作组”。1943年5月，由于日本海军迫切需要新式武器挽救败局，因此委托帝国大学理学部的荒胜文策教授进行代号“F计划”的原子弹研究。 “F计划”是以“核裂变”( Fission) 英语的首字母命名的 。[29]
在研究思路方面，海军的“F计划”与“仁计划”方法和路径不同。在裂变反应方法上，“仁计划”研究“慢中子”裂变过程，而“F计划”则选择对“快中子”的反应进行研究，在解决浓缩铀分离方法上的选择不同。“仁计划”采用的是热扩散法进行铀浓缩提纯。“F计划”则确定采用离心分离法。日本原子弹研究以失败告终，主要包括两方面原因，第一是没有形成合理的核武器开发机制。日本海军和陆军分别主导推进核武器的研发，还要受到其他武器研发项目的挤压，严重影响了核武器的开发进度。第二是日本严重缺乏铀矿资源。仁科芳雄承认没有充足的铀矿石，日本不可能制造出原子弹。[27]
1932年英国物理学家詹姆斯·查德威克发现了中子，奠定了中子轰击铀原子核引发链式反应的研究基础。1940年3月英国伯明翰大学两位科学家鲁道夫·皮埃尔斯和奥拓·弗里希发表备忘录，最先指出了原子弹制造的可行性。英国政府随即在4月成立了一个负责核研究的莫德委员会。该委员会在1941年7月出具报告称：制造原子弹的计划是可行的。1941年8月，丘吉尔启动了研制原子弹的“管合金”计划。英国被认为是全世界第一个明确研发原子弹的国家。[30]
“管合金”计划展开后，得到了英国政府大批拨款。到了1942 年末，英国核研究已形成规模，反应堆、工厂、实验室等工程的建设获得大量投资。英国在原子弹的结构和稀有铀同位素的分离方法上，都取得了巨大进展。英国物理学家提出气体扩散法分离铀-235 的理论，对后来原子弹研制影响重大。但是由于德国对英国的轰炸，英国本土已经不具备研发原子弹的条件。英国在1942年评估美国已经在原子弹研究上反超。[31]
1943年8月19日，罗斯福与丘吉尔签订了一个协议，即“魁北克协议” ，标志英国的“管合金”计划正式和美国的“曼哈顿”计划合并。“魁北克协议” 对双方的地位进行了一些规定，例如原子弹研制成功后， 其使用必须征得两国政府的同意；英国只能获得关于原子弹的科学知识，而制造技术则受到限制，只有美国人同意才能提供; 两国不相互使用原子弹；不向第三方泄露“ 管合金”的情报等。“魁北克协议” 实际奠定了英美两个核武国家特殊合作关系的基础，美国在冷战期间和英国共享了大量的核技术，而英国通过参加“曼哈顿”工程，基本掌握了制造原子弹的技术，并为战后英国在1952年进行核试验研发核武器进行了技术准备。[32]
在1938年核裂变现象发现后，苏联科学家就意识到了其中的军事价值。而从1941年8月份开始，苏联驻外情报机构就不断向国内发出英美进行核能军事利用研究的情报。1942年4月，苏军从一个死去的德国高级军官身上的笔记本中，发现了写有与核能利用有关的公式和图表。这促使在1942年9月28日，苏联国防委员会秘密发布 《关于组织开展铀研究》 的第 2352CC号令，开始原子弹的研究。但是由于缺乏高层的直接行政领导和协调，项目进行并不顺利。[33]
因此在1943年2月，莫洛托夫再次签署并秘密发布了国防委员会第 2872CC号令，责成由人民委员会副主席别尔乌辛和卡夫塔诺夫以及核物理科学家库尔恰托夫共同领导，其中库尔恰托夫领导原子弹理论实验的2号实验室。但是苏联对原子弹计划的推进并不满意。库尔恰托夫认为：要想在最短时间内顺利实施核计划，完成制造原子弹的任务，必须组建一个专门的、独立的、国家层面的组织领导机构，必须指派一个极具权威的、特别强势的、直接负责的领导人。[34]
1945年7月17日，波茨坦会议召开。美国总统杜鲁门在会议上故意向斯大林透露美国已经研发出一种威力巨大的新型武器。[35]1945年8月，美国先后在广岛和长崎投下两枚原子弹。对于美国的核威慑，斯大林在1945年8月20日签署了《关于国防委员会专门委员会》第 9887сс /оп号决议，赋予原子弹研制计划最高的国家定位。[36]该决议由斯大林本人亲自过问签发，最终成立一个拥有特权的专门委员会，贝利亚任主席，负责对核计划的全面领导和情报收集工作，万尼科夫任副主席，负责核工业和核设施建设，库尔恰托夫被被任命为2号实验室主任、核计划首席科学家。至此苏联建立了国家最高级别的原子弹计划组织领导层级体系。[37]
在原子弹专门委员会成立后，苏联的原子弹研究进入快速发展阶段。1946年6月，苏联明确了在 2 号实验室的领导下研制 РДС-1 和 РДС-2 两种型号的原子弹。原子弹的每个元件都有研究小组集体攻关，多采用2-3 个研究小组平行研究的方法，要确保第一颗原子弹按期成功试验。1949 年8月 29日早7时，苏联第一颗原子弹在哈萨克斯坦谢米巴拉金斯克核试验场成功试爆。[33]
第二次世界大战期间，美苏基于共同的战略需求结成同盟，但对苏联的“遏制”思维，美国从来没有放弃，而且随着战局的变化，美国开始将苏联视为未来最主要的对手和安全威胁。在第二次世界大战结束之前，美国军方就开始策划对苏联实施核打击。1946年1月初，美军高层建议使用轰炸机，向苏联投掷196枚原子弹，旨在给苏联工业基础以毁灭性打击。第一次柏林危机期间，美国军方进一步完善了对苏核打击的规模，曾计划在一个月的时间内对苏联的70个城市和工业中心投掷133枚原子弹。即使在1949年8月苏联爆炸原子弹后，美国仍然认为苏联虽然拥有了原子弹，但数量不会很多，而美国仍可以利用核武器优势对苏联发动预防性战争。直到20世纪50年代中期，随着美苏力量对比的变化，美国决策者意识到，美国不可能在核战争中迅速取得胜利。[38]
50年代后期，苏美走上军备竞赛的道路。一开始美国核力量超过苏联。1962年，美国拥有洲际弹道导弹近300枚，而苏联仅有75枚。到1964年，美国的洲际弹道导弹以4 : 1优势胜过苏联，潜射导弹数量是苏联的10倍，远程轰炸机是苏联的7倍，核弹头是苏联的17倍。面对这种情况，苏联全力以赴加紧研制和生产核武器，到60年代末赶上美国。从1972年美苏签署第一阶段限制战略武器条约至1980年，美国的战略运载工具增加了48件，苏联增加了415件，同年，美国的核弹头数目达到9000个，而苏联为7000个。1985年美苏拥有的弹头数目分别增至9400个和8000个。美苏在地基洲际弹道导弹、轰炸机、潜射洲际弹道导弹等核武器投送手段上旗鼓相当。在战术核力量方面，美苏两家的竞争也很激烈。50、60年代苏朕生产的SS-1、SS-5中程导弹已被射程更远、命中精度更高的多弹头SS-20中程导弹所取代。1979年，苏联拥有拥有140枚这类导弹，到了1984年增至378枚。苏联的“逆火”式轰炸机也是一种先进的战术核武器运载工具，以每年30架的速度加紧生产。美国在战术核武器方面的竞赛中最初领先、中途落后于苏联，但是在70年代末开始追赶苏联。[39]
愈演愈烈的核军备竞赛使美苏双方都付出了高昂的代价，迫使两国进行核军备控制谈判。1968年7月1日，美苏签署《防止核武器扩散条约》，确定有核缔约国不得将核武器让与任何其他国家。1972年5月底，美苏签署了《关于限制反弹道导弹防御系统条约》《关于限制进攻性战略核武器的某些措施的临时协定》。1979年6月18日，卡特和勃列日涅夫在维也纳签署了《关于限制进攻性战略武器条约》即《第二阶段限制战略武器条约》，确定至1981年底双方进攻性战略武器运载工具限额各为2250件。1987年12月，里根与戈尔巴乔夫在华盛顿签署了《美苏关于销毁中程导弹和中短程导弹条约》(即《中导条约》)，规定两国应在条约正式生效后立即停止所有射程为500-5000公里中程和中短程导弹的生产和试验。1991年7月，美苏领导人签署了《削减战略武器条约》，条约规定双方战略核武器各削减30%。[38]
冷战的终结，消弥了两极对抗导致的恐惧，也使核武器从两极体制的控制下解放出来，使核扩散具有了一定的可能性与必然性。核武器在全球的扩散成为冷战后各国普遍关注的焦点。核扩散主要发生在中东、南亚、北非和东北亚等地区。核扩散基本发生在发展中国家，其所在地区多是历史上的冲突多发地区。如南亚，自1947年印巴分治以来，双方已爆发了三次大规模战争。此外在后冷战时代，苏联的核保护伞不复存在，而美国核保护的可靠性也受到怀疑。失去了核保护或失去对核保护信任的国家很自然地把谋求拥有核能力作为其主权国家生存下去的手段。[40]
在后冷战时期，印度将核武器视为“大国”的标志。印度由于 《不扩散核武器条约》被排除在核武器国家行列之外。但当美国有意用印度来制衡中国的时候，该条约对印度的阻力变小了。美国在付出一些外交代价之后与印度达成了核武器协议，事实上承认了印度的核武器国家地位和大国地位。此外出于生存和提升国家地位的目的，以色列、巴基斯坦和朝鲜也拥有了核武器。以色列周围都是阿拉伯国家，朝鲜担心韩国会在美国支持下统一半岛，而巴基斯坦担心被印度征服。而开发核武器不但能保证国家生存，还提升了本国在地区的地位。[41]
《不扩散核武器条约》自生效以来的四十年，取得了一些成效。由于条约的制约，世界上新的核武器国家只增加了以色列、印度、巴基斯坦和朝鲜四个国家。如果没有这一条约，世界上的核武器国家则可能会有更多。当代国际法不能强迫主权国家是否加入某个特定的国际条约，是否接受防扩散原则仍依据各国的国家利益与需求来独立判断。以色列、印度和巴基斯坦拒绝入约和朝鲜退出条约，均属正常主权诉求。不是所有国家都认为核不扩散有利自身国家安全。[42]
美国在冷战后的行为也在损害核不扩散的道义基础。冷战后，美国回避核裁军，片面强调防扩散，同时强化核武器的实用性。2005年美着手“可靠替换弹头”的可行性研究，2006年4月，布什政府公布了核武器制造与研制设施的现代化改造计划，还以反恐为借口模糊常规武器与核武器界限。美国还研究在洲际导弹和核潜艇上安装常规弹头，实施战略打击行动。在增强核攻击能力的同时，美国战略防御能力也有了新的进展，其标志就是导弹防御系统开始进入实际部署阶段。美陆基中段拦截系统于2006年1月初步具备了导弹防御能力。在东亚，美日联合部署导弹防御系统，使用“宙斯盾”战舰装备标准-3海基拦截导弹，搭配陆基反导拦截武器构成多层拦截的系统。此外美国以意识形态和地缘利益为由，执行双重标准，损害了核不扩散机制的可信度。[43]
2017年12月，特朗普政府在其《国家安全战略》报告中指称，要与中俄展开“战略竞争”。2019 年 2 月 2 日，美国宣布开始停止履行冷战时期与苏联达成的重要军控条约——《中导条约》，180 天后将考虑是否完全退出该条约。从目前的形势发展来看，大国进入“新冷战”的可能性不高，因为各国不可能拥有或动用类似冷战期间的财力和物力来进行核军备竞赛。但是在局部领域，为了争夺战略制高点，大国会采取一种非对称的竞赛手段，打破对方的优势。[44]
随着大国竞争成为国际关系的主轴，美国战略界已经针对是否应重拾有限核战争理论展开了广泛讨论。一些观点认为，由于俄罗斯和中国等竞争对手核、常规军事能力的大幅增强，美国应该做好打有限核战争的准备，以增强威慑可信度，并在必要时使用核武器击败对手。有限核战争理论来自冷战时期，主要提出了三项关键假设：第一，使用核武器可以实现政治目标；第二、核武器的使用可以得到控制；第三、核冲突可以保持 “有限”，而非不可避免地走向相互毁灭。在2014年克里米亚危机后，美国一些学者认为世界进入“第三核时代”，冷战后美国的核战略已不足以应对新的安全威胁，因此主张要重新借鉴有限核战争的理论逻辑以及相关政策经验，强化核武器对于国家安全的作用。特朗普政府依据有限核战争理论的逻辑对美国核政策做出了重大调整，开发新型低当量核武器。拜登政府的重点将来自中国与俄罗斯的所谓 “有限核打击”作为美国的主要核威胁，并提出了 “量身定做”的威慑战略，针对性地部署 W76-2潜射导弹弹头和空射巡航导弹等低当量核武器，还给F-35A战斗机配备新型 B61-12核航弹。[45]
2022年10月18日，中国裁军大使李松18日在第77届联合国大会第一委员会就核裁军问题发言称：中国一贯主张全面禁止和彻底销毁核武器。中国郑重承诺任何时候和任何条件下都不首先使用核武器，并承诺无条件不对无核武器国家和无核武器区使用或威胁使用核武器。中国始终将核力量维持在国家安全需要的最低水平，不与任何其他核武器国家开展军备竞赛。中国主张美国和俄罗斯作为依然拥有最庞大核武库的核超级大国，应继续履行核裁军责任，为最终实现全面、彻底核裁军创造条件。李松称，2022年1月五核国领导人发表联合声明，申明“核战争打不赢也打不得”。这一历史性声明必须得到严肃认真的恪守。[46]
2023年2月28日俄罗斯总统普京签署关于俄暂停履行《新削减战略武器条约》的法律，何时恢复履行将由俄总统决定。《新削减战略武器条约》由俄美两国于2010年签署，条约有效期至2026年2月5日。俄美《中导条约》2019年失效后，这一条约成为两国间唯一军控条约。[47]
1905年，爱因斯坦提出了著名的“质能转换”方程，指出任何具有质量的物体，都贮存着巨大的内部能量，而只要有能量的变化，就会有质量的变化，能量和质量是能够相互转化的。这一理论被认为是原子弹的基础。但爱因斯坦在创造这一理论时，并没有想到原子弹这种武器。从“质能转换”方程到最终铀原子核的链式裂变反应以及核聚变武器，需要一系列的理论基础。[48]原子弹应该称为原子核弹，在核物理专业中称为裂变弹；氢弹应该称为氘氚弹，专业叫法为聚变弹。[49]
首先需要发现原子核的存在。1911年英国物理学家卢瑟福，通过使用镭作放射源，进行α粒子射击金箔的实验，发现有些α粒子被弹回来了，因此卢瑟福认为原子中存在坚实的带正电的“原子核”。通过研究氢原子，可以确定质子肯定是构成原子核的组成部分。1932年查德威克发现了中子。[50]
在核聚变和核裂变的发现过程中，轻核聚变要早于重核裂变。这是因为大自然就存在轻核聚变的现象。20世纪初以前，太阳和星星发光一直是人类无法解释的奇观。1920年，英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿根据爱因斯坦的相对论首次提出，恒星的能量来自于内部氢聚变为氦的过程。1933年，澳大利亚科学家马克·奥利芬特与卢瑟福等人合作，第一个通过实验证明核聚变的存在，还发现了氦3和氚原子核。奥利芬特发现，当氘核与氦3、氚核或其他氘核发生反应时，释放出的粒子所具有的能量远远超过它们开始时的能量，这意味着结合能已经通过聚变从原子核内部释放出来。[51]
相对于太阳这样宇宙中存在的聚变体，地球上很难发现自然的裂变。在原子核这个微观世界中，量子力学发挥作用，无法精确的观察原子核的结构，而且无法通过薛定谔方程来描绘重原子核这种量子多体系统，因此必须要假设一个非常容易处理和理解的简单模型，来理解原子核的结构。[52]
1929年，俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫推出了原子核的液滴模型。该模型将原子核描述为一滴液体。如果给予足够的额外能量（如通过吸收中子），原子核可能会扭曲成哑铃形状，然后在中间分裂成两个几乎相等的碎片，然后释放能量。虽然这个模型不足以解释所有核反应现象，但该模型的理论基础提供了对原子核平均特性的估计。而这种能量，就是原子核的结合能。[53]
液滴模型的出现，为核裂变武器的诞生奠定了基础。在1932年中子被发现后，科学家开始用它来轰击原子核来进行探测。1934年，意大利科学家费米用户中子轰击铀，产生了第一个比铀重的元素。在费米之后，奥地利犹太裔女科学家丽莎·迈特纳，以及德国化学家奥托·哈恩以及化学家弗里茨·斯特拉斯曼也开始合作用中子轰击铀和其他元素并确定一系列衰变产物。1938年12月16日，奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼进行了“镭钡间皮分馏”实验，结果令奥托·哈恩困惑，因为在用中子轰击铀后，它分裂成了两半，并且产生了许多β放射性核素。哈恩给已经逃亡国外的迈特纳写信描述了这一现象。迈特纳和她的侄子奥托·弗里施认为，应该借鉴液滴模型来研究这一问题，即铀原子核在遭到中子轰击后，原子核像液滴一样分离，并释放出能量，而这两个子核加在一起的质量，要比原有的铀原子核少大约20%。而释放的能量就来自损失的质量。1939年1月份迈特纳和弗里施将这一过程写成论文寄给《自然》杂志，并将这一分裂的过程称为“裂变”。1939年2月，奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼则发表了他们的论文，首次使用了Uranspaltung （铀裂变）一词，并预测在裂变过程中将有额外中子的存在和释放，开启了核链式反应的可能性。[54]
要实现原子核裂变产生巨大的爆炸能量，必须使大量的铀原子核在短时间内发生裂变，也就是发生链式裂变反应。尽管1933年匈牙利物理学家利奥·西拉德就构想了核链式裂变的可能性，但必须要在实验中再现。费米的工作就是先要证实裂变链式反应的存在，这才能实现原子弹。[55]
从1939年开始，费米就开始在哥伦比亚大学重点研究实现可以自持的裂变链式反应。当时费米认为只要有足够的中子，就能够引发裂变链式反应，但关键是能够让中子减速，石墨是一种非常有效的减速剂。1940年，费米在哥伦比亚大学的礼堂地下室内使用50吨石墨和8吨的氧化铀建造一个亚临界的反应堆。1940年加州伯克利分校的科学家格伦·⻄博格发现了钚-239这种超铀元素。钚-239在受到慢中子轰击后能够和铀-235一样的方式进行裂变，这就产生了第二种制造原子弹的方法。钚-239可以通过中子辐照铀-238来不断产生。这就意味着费米对反应堆研究的重要性，因为这不但能证实裂变链式反应的存在，而且还能制造原子弹所需的裂变材料。[56]
1942年6月，费米开始主导建设芝加哥1号堆（CP-1）。CP-1由45000块石墨砖组成，每2块石墨砖中间放置1个铀块。1942年12月2日，费米下令将所有的控制棒从反应堆中抽出来，反应堆达到了临界状态，自持的裂变链式反应出现了。费米不仅证实了核链式裂变存在，而且还实现了核能量缓慢和可控的释放，为开发利用原子能作为动力奠定了基础。[56]
费米的发现表明，自持裂变链式反应发生的条件，是实现中子增殖，也就是中子被裂变核吸收并且发生裂变放出裂变中子，也就是“中子增殖系数”。如果这个系数为1，意味着系统为临界状态，即每一代裂变中子数保持不变，链式反应可以自持下去，而且裂变数始终保持不变。如果这个系数大于1，则为超临界状态，即每一代产生的中子数比前一代的增加，裂变链式反应不但可以自持，而且裂变的数目一代代增加。对核武器来说，这个系数尽可能大于1，这就意味着核爆炸发生。如果这个系数小于1，则系统为亚临界状态，最后裂变链式反应停止。[57]
无论是原子弹还是核反应堆，一个核燃料系统达到临界状态的体积，就是临界体积，相应的质量就是临界质量。对于核武器而言，临界质量越小越好。各种实验已经发现，铀-235和钚-238的中子增殖性能很好，铀-235原子核在收一个中子后放出的平均中子数为2.21个，而钚-238为2.61个。这就意味着钚-238的临界质量可以做到更小。根据测定，高浓缩度铀235临界质量约为50公斤，武器级钚-239其临界质量约为16公斤。[57]
实现可实用的核武器，就需要尽可能减低临界质量。减低临界质量除了选择增殖性能好的裂变材料之外，还可以通过其他设计来实现。例如核材料应该设计成圆形，这样就能够尽可能降低中子泄漏的几率。此外还可以在核材料的外部增加中子发射层，这样就可以减少临界质量。[57]
对临界质量的估算，是研制原子弹的一个重要方面。在二战前德国也启动对原子弹的研制，但最终失败。其中一种重要原因就是德国核物理的领军人物海森堡对于原子弹的临界质量估算错误。海森堡的模型是核反应是从铀-235球心向周边扩展的。在这一过程中，将有10的24次方个铀-235原子核发生裂变。海森堡计算认为，在中子达到铀-235球表面之前，必须和这些铀-235原子核发生碰撞并产生分裂。因此他计算原子弹的铀-235球最小半径为54厘米，质量超过1吨，这意味建造实用的原子弹根本不可能。而海森堡在听到美军用原子弹轰炸广岛的消息后，仍然不相信原子弹的存在。这因为海森堡没有获得正确的自持链式裂变反应的理论，因此也就无法得出正确的核武器临界质量。[58]
实现聚变反应的关键，就是需要极高的温度。这是因为要让轻原子核融合，例如一对氘核，或一个氘核和一个氚核足够紧密地紧靠在一起，其中心距离不能大于米 ，需要克服的电位势垒达到144千电子伏。只有温度越高，轻原子核的动能越大，越有可能克服原子核之间的电位势垒。单纯从轻原子核的动能来计算，发生核聚变反应的温度约为5.6亿摄氏度。但由于原子核的动能比平均值大，而且势垒穿透效应那些动能较低的原子核也有一定的几率发生融合，因此实际的热核爆炸需要大约6千万摄氏度就能发生。铀-235吸收一个慢中子，发生核裂变，释放出6.4兆电子伏的核结合能。而氘氚每个核子大约释放出3.5兆电子伏的结合能。同样质量的核燃料，聚变反应会比裂变反应放出更多的能量。一公斤氘氚完全燃烧放出的能量，相当于8万吨TNT爆炸的能量，比一公斤铀-235完全裂变放出的能量大4倍。[59]
而制造6千万摄氏度的高温，就要靠原子弹爆炸来提供。氢弹必须包含两个部分：为创造自持热核反应条件而专门设计的用于引爆的原子弹 （通常称之为“扳机”）和热核聚变装料。氢弹的巨大威 力主要来自热核聚变释放的能量。它的原理是首先引爆原子弹，核裂变释放出的能量使热核装料（氘化锂—6）加热达到高温。此外原子弹裂变释放的中子轰击氘化锂—6中的锂—6产生氚，然后产生的氚与氘以及氘与氘发生热核聚变反应释放巨大能量，氚与氘反应又放出更多的中子，继续轰击氘化锂—6，形成了更多的反应循环。在氢弹中烧掉1公斤氘化锂-6，释放的能量可达4-5万吨 TNT 当量。此外在热核装料外如果还加上一层铀—238，让聚变产生的快中子打到铀—238上，还可引起裂变，进一步增强热核爆炸的威力和辐射强度。[57]
原子弹爆炸可以达到百万度、千万度的热力学温度。但是把氘氚材料放进原子弹里，并不一定发生聚变反应因为原子弹爆炸以后，裂变材料会急速膨胀，温度、密度迅速下降。氘氚没来得及反应或者只能进行很短的反应，就会被打散而熄灭。这样，虽然有一些聚变反应的能量放出，但比裂变能量少得多，不能称之为氢弹。之所以叫氢弹，应该是聚变反应放出的能量很多。氢弹的原理并不深奥，真正的奥秘是技术上如何实现，怎么创造高温高密度同时结合在一起的条件。[49]
按照核反应类型划分：核武器可以分成裂变武器和聚变武器。主要利用铀-235或钚-239等重原子核的链式裂变反应制成的核武器，叫做裂变武器；主要利用氘、氚 等轻原子核的热核聚变反应制成的核武器，叫做聚变武器。[6]
按核武器结构原理划分：可分为第一代到第四代核武器。第一代是裂变原子弹，包括聚变助爆的加强型原子弹；第二代是氢弹热核武器，包括中子弹（增强辐射弹）和冲击波弹（减少剩余辐射弹）；第三代是核激励X射线激光器等定向能武器；第四代是利用介子进行冷聚变。[8]
按投掷发射系统划分：可分为核导弹、核炸弹、核炮弹、核深水炸弹、核鱼雷、核地雷等。[60]
按作战使用划分：一类是用于袭击对方战略目标和防御己方战略要地的战略核武器；另一类是用于支援陆、海、空战场作战打击对方战术目标的战术核武器。但是这类划分方法与地理条件、社会政治因素有关，界限并不是十分严格。例如苏联有“战役战术核武器”的说法，美国有“战区核武器”的说法，都把可打击战略目标的中远程、中程核导弹也划进这一类。[60]
按威力大小划分：可分为高威力核武器(百万吨TNT当量级)，中等威力核武器(数十万吨TNT当量级)和低威力核武器(万吨TNT当量级以下)。[60]
核爆炸有五种杀伤破坏因素：即光辐射(也称热辐射)、冲击波、瞬时核辐射、放射性沾染、核电磁脉冲。此外大规模核战争引发的“核冬天”也是一种破坏效，但外界对此存在争议。[61]
核爆炸所释放的能量中，约有1/3是以光辐射的形式放出来。当核武器在空中爆炸后，在大约百分之几至十分之几秒时间内形成一个表面温度比太阳温度还高(太阳表面温度约6000度)的火球。大部分的光辐射在爆炸后十几秒钟以内发射出去，然后光辐射就不起作用了。光辐射的杀伤破坏是着火燃烧。如果是50万吨TNT当量的弹头爆炸，在半径4公里内无防护的人，都会发生严重的四等重度烧伤伤害，[61]一次核爆炸可能会导致 10000 人需要专门治疗的严重烧伤。在一场全面核战争中，可能会有数百万人被烧伤。而像美国这样的国家治疗烧伤的设施最多容纳2000人。[62]
核爆炸时间极短，只有百万分之几秒，而释放出来的能量巨大，这就使得爆炸中心的温度上升达几百万甚至几千万度，爆炸中心的最大压强也高达十几亿甚至数百亿大气压。这样高的温度和压强下的蒸气，迅速地向四周膨胀，强烈地压缩周国的空气层而形成冲击波。冲击波以超音速从爆炸中心向四周扩散。冲击波摧毁房屋、建筑和工程设施，可以导致人体、损伤器官而造成伤亡。如果是50万吨TNT当量的弹头爆炸，在半径2.5公里内无防护的人，都会发生严重的四等极重度冲击伤，包括严重的颅脑、脊髓损伤，胸、腹腔破裂，内脏挤压伤，甚至肢体离散。防冲击波的主要办法是修筑工事人防工事都可以防冲击波。[61]冲击波的效果取决于核武器引爆的位置。空爆对建筑物破坏最大，因为空爆产生的冲击波会在地面反射，从而增强其破坏力。如果在地面爆炸，会挖出一个巨大的弹坑并粉碎附近的一切，但其爆炸效果不会延伸那么远。对城市的核攻击可能会使用空中爆炸，而地爆一般将用于加固的军事目标。[62]
瞬时核辐射指的是核爆炸后一分钟内释放的核辐射，也称早期核辐射。在释放的许多种辐射中只有中子和伽马射线才具有重要的毁伤意义。瞬时核辐射占总能量的5%。但能量高，不带电，贯穿力强，故又称贯穿辐射。中子辐射是在核爆炸发生的最初几微秒中由弹头裂变和聚变过程产生的中子。伽马辐射主要来自裂变反应和裂变产物的衰变。瞬时核辐射对建筑物不起破坏作用。如果是50万吨TNT当量的弹头爆炸，在半径2.5公里内无防护的人，都会发生严重的4级极重度放射病，不及时治疗会全部死亡。[61]但是由于房屋等建筑物的阻挡，核武器爆炸后瞬时核辐射造成的死伤比例较小，而真正无防护靠近核武器爆心的人，更多是被冲击波和热辐射直接杀死。[63]
放射性沾染主要是降落下来的裂变碎片，其次是早期核辐射的中子、伽马射线射入地表物质里感生的放射性粒子。它约占核爆总能量的10%。沾染粒子可渗人几厘米的土层，难于清除,散布范国广。这些放射性粒子的半衰期可以几分之一秒到几百万年不等。但短半衰期的最多，所以沾染区辐射剂量下降很快。人们若要通过放射性沾染地段，必须穿防护服。[61]放射性沾染与核武器的爆炸方式有关。核武器空爆对当地的核沾染相对较小，但会上升到平流层顺风扩散到数千公里之外。而核武器地爆则炸出一个巨大的弹坑，并将成吨的土壤、岩石和其他粉状物质卷入上升的云层中。放射性物质附着在这些较重的颗粒上，在相对较短的时间内落回地面。在当地形成强烈的放射性沾染。[62]
核爆电磁脉冲能量很小，一般原子弹爆炸约占总能量的千分之一。但在高空爆炸时，其作用会对电子学系统造成破坏和干扰。[61]苏联和美国专门进行过20次核爆炸电磁脉冲试验。[62]美国评估核爆电磁脉冲的作用距离大约为3.2 公里至8公里。核爆电磁脉冲的强电场和磁场会大面积损坏未受保护的电子设备和电子设备，包括通信基础设施（基站、电信交换机、天线、雷达）将受到重大影响，将冲击通信、计算机和计算机系统以及其他基本电子设备，很可能导致医院设备、加油站和关键基础设施的计算机设备瘫痪。核爆电磁脉冲还可能影响车辆电子设备，导致车辆失控。[64]
原子弹设计的基本原理是使最初处于次临界状态的裂变装料在瞬间达到超临界状态并适时地用中子源提供适量中子触发裂变链式反应并发生核爆炸。由次临界达到超临界状态的方法有“枪式”（压拢型）和“内爆式”（压紧型）两种。此外还有加强型原子弹。
“枪式”原子弹：其结构原理是把次临界质量的圆柱形铀块(“铀子弹”)和另一个次临界质量、带有圆柱形凹槽的铀球分开放置。分开后的原子弹中的两个铀块都不会引起裂变链式反应。若要引发核爆炸，要通过雷管点燃烈性炸药，由化学爆炸产生的强大推力使“铀子弹”迅速射向铀球并进入圆柱形凹槽内，使整个系统瞬间达到临界和超临界状态，并适时地由中子引爆器产生的中子触发，立即发生强烈的链式裂变反应。如链式裂变反应能在超临界系统瓦解之前达到足够多的“代”数，就会产生强烈的核爆炸。1945年8月6日美国投到日本广岛的第一颗原子弹就是“枪式”构型原子弹。[57]
“内爆式”原子弹：这种原子弹的结构原理，是把一块处于次临界状态的裂变装料（铀-235或钚-239）的球体放于原子弹的中心，四周被化学炸药包围，在使用前不会引起裂变链式反应。若要引发核爆炸，则是先点燃高能化学炸药，利用化学爆炸产生的内聚冲击波和高压力，压缩中心处于次临界状态的裂变燃料球体，使其密度急剧升高。由于临界质量与密度成反比，使得裂变装料达到超临界状态。这时中子引爆器适时地产生大量中子，引发剧烈的链式裂变反应从而产生核爆炸。与枪式相比，内爆式构型更为先进，因为裂变材料用量少利用率高，但技术更复杂。美国在1945年7月16日进行的第一次核试验和后来在日本长崎投下的代号“胖子”的原子弹都属“内爆式”钚弹。[57]
加强型原子弹：从单位质量讲，聚变释放的能量要比裂变释放的能量高。原子弹装料里加一些聚变材料，在原子弹爆炸的高温下，引起聚变反应，聚变放出的中子又可以加强裂变反应，从而使爆炸威力大大增加。这样的原子弹称“加强型原子弹”。加强型原子弹由于用了氘氚气体，其内爆压缩过程会带来许多新的问题。界面不稳定性会更加突出，因为氘氚气体的密度比起铀、钚金属的密度差得太远了。当压缩的氘氚内部压力过高时，就会产生反压而出现界面不稳定的情况。对于加强型原子弹来说，除了雷管点火、中子点火引爆原子弹之外，还有第三次点火，即用裂变反应的能量点燃轻材料的聚变反应。以上各次点火的时间是要选择在有关释能部件处在一个最佳的物理状态下，才能获得最好的爆炸效果。这只能依靠极其复杂的实验和模拟计算来确定。[65]
泰勒——乌拉姆构形：其设计是有一枚铀-235裂变弹，旁边有一团聚变材料，然后两者被铀-238材料制造的外壳包在内。在点火后，铀-235裂变弹在炸药压缩下爆炸，其能量定向传输，去点燃氘化锂。氘化锂经过刷烈压缩达到高温高密度，引起了聚变爆炸。聚变爆炸放出的高能中子，引起壳体铀-238发生裂变，释放出更多的能量。氢弹整个爆炸完成。这是典型的“裂变一聚变一裂变”过程。这三个过程称之为三相，这样的氢弹称“三相弹”。按照泰勒——乌拉姆构形的原理，可以将聚变燃料一级一级地申起来引爆，像穿“糖葫芦”一样，威力在理论上是没有限制的，限制只取决于军事的需要和火箭的推力。[65]
中子弹：中子弹实际是聚变很高而裂变很少的的氢弹，设计是在掌握氢弹原理和关键技术的基础上，尽可能地减少裂变材料和尽可能地使聚变产生的高能中子易于穿出弹壳。中子弹可以做到常规炮弹大小，同时辐射效能很高，相当于10倍威力的裂变弹。要设计中子弹。首先初级裂变材料要尽可能少。中子弹的聚变仍然需要原子弹来引爆，但初级要尽最大可能减少裂变材料。其次是次级充分利用氘氚聚变反应，内芯和外壳尽可能少用或不用裂变材料。第三是外层设计不能用铀-238，要用密度高、强度高的其他合金，且要尽量避免对高能中子的吸收。[65]
核弹头的工程设计，实际意味着经过大量的核试验和测试，核武器的构成已经被证明是可行的，而实际的工程设计，则是把可行的核武器构型，应用到军队使用的各种载具上。对此世界没有一个国家公布相关的技术细节，其中不但涉及大量的流体动力学和中子传输效应的数值模型，而且还有必要的工具和材料。[66]
出于实战的需要，从上世纪50年代开始，核武器就小型化和轻量化的阶段。因为这样飞机就可以携带更多的核弹，此外百万吨级当量的小型化核弹头，对于洲际弹道导弹的战略打击十分重要。这促使核武器的工程设计进入模块化的时代，即核弹头是由3个模块化的部分组成，包括构成核弹的“物理包”、电子设备和外部的空气动力学外壳。由于核弹的“物理包”被包裹在弹头内，因此它的辐射外壳可以由更轻、更坚固的材料制成，包括铝合金甚至塑料。而电子设备是核弹的引信，不同引信配合核弹的“物理包”可以形成不同当量的核弹。然后“物理包”和电子设备这两个组件，被安装到不同的炸弹或者导弹再入载具中，就能建造各种核弹。[67]
聚变武器的工程设计更多的发展成一种类似“花生”的双腔室设计，类似于两个在腰部相连的球形中空室，一个是初级，另一个是次级。工程设计的目的，就是如何控制两个腔体之间的辐射流动，如何更好的控制粒子的辐射通量。这种双腔式聚变武器设计的关键，实际是应用屏蔽手段，让原子弹初级爆炸后，其能量均匀地作用于次级的聚变物质，然后利用惯性约束的办法，让聚变物质实现更有效的融合。[67]
比威力指标：在提供给定当量的情况下，核弹头设计重量越轻越好，因此比威力是核武器最重要的设计标准，通常用每公斤TNT当量来表示。一般更大的炸弹比威力大一些，例如美国比威力最大的4吨重的B-53炸弹，为2.25千吨TNT/公斤，苏联的“沙皇炸弹”比例为1.7，现有美国主要核弹头比威力：W-88为1.5，W-80为1.31，B-83为1.10，W-87为1.0，W-78为0.96，W-76为0.61[67]
核武器的安全设计：核武器由于其巨大的杀伤效应，因此必须考虑设计上的高安全性。第一是避免人为的非授权使用，包括核武器被恐怖分子劫持或者错误发射。第二是避免外部事故导致核武器意外爆炸，包括力学变化(外部冲击和压缩导致核弹变形与断裂) 、热环境(核武器冲击和辐射、导弹推进剂起火、燃料起火和复合材料起火) 、电磁雷击环境变化（电磁脉冲冲击和雷击击穿）等。[68]
生产铀-235：设计铀弹比钚弹难度小，但是在生产上，制取高度浓缩的铀-235比制取钚-239要难得多。天然钠中铀-235只占0.7%，而原子弹对铀的浓缩度要求很高，铀-235必领达到90%以上。铀-238和铀-235的化学性质相同，质量相差甚微，要把铀-235从铀-238中分离出来特别困难。进行同位素分离之前，必领將铀矿石加工并转化成六氟化铀。这个过程有许多工序，包括矿石加工、纯化、生成等步骤。媒体经常提到的“黄饼”，实际是铀矿石加工成铀酸钙或铀酸镁盐的产物。从六氟化铀中分离出铀-235，包括电磁分离法、离心分离法、喷嘴分离法、气体扩散法、多孔膜扩散过滤法以及激光分离法等。激光分离法是最先进的技术。[69]
生产钚-239：如果將氧化铀作为反应堆燃料去生产钚，反应堆对铀浓度要求不高，铀-235的含量有3%就可以用。反应堆里裂变放出的中子，经过减速剂降低能量变成慢中子。这些慢中子，有的与铀-235发生裂变，释放大量能量和继续放出中子，有的则被铀-238俘获而生成超铀元素钚-239或者镎-239。当反应堆中的铀-238经过足够时间的照射，生成相当数量的钚-239后，将辐照过的燃料元件从反应堆内取出，并放人水中贮存2~4个月进行冷却。在此期间，强放射性的裂变产物经衰变后，其放射性大大减弱，镎-239也大多转变成钚-239。但为了分离出钚必领对进行化学处理，选择沉淀法或溶剂萃取法便可以分离出钚-239。但是几吨重的铀燃料棒只能分离出几克的钚。分离出来的钚大多数是一种钚盐，经过处理可获得金属形式的钚。还原后，再经过酸洗，除去杂质，即得到清洁的钚金厲。这些金属钚就可进行熔融、铸造和机械加工。钚-239具有极大的毒性。[69]
氚是氢弹的核心装料，可以提高氢弹弹头初级的当量。氚的半衰期为 12.3 年，每年因衰变损失 5%。氚在自然界中的含量极低，必须人工生产。锂-6 与氘合成的氘化锂-6 是氢弹必不可少的核心装料。锂-6 还是生产军用氚材料的关键原料之一。以美国为例，从上世纪 50 年代中期至 1988 年，美国总共生产了 225公斤氘，主要由 5 座反应堆生产。截止1963年停止生产，美国共生产了 442.4 吨军用锂。美国的氘生产主要使用反应堆，2020 年美国使用两座反应堆同时产氚，预计每18个月生产 2.8公斤氚。而锂的生产依靠两种途径，第一是使用库存和回收退役部件，保障军用锂材料供应，第二是重建化学纯化工艺和锂转化工艺生产体系。[70]
核试验是核武器爆炸过程性能的综合性检验,也是核爆炸辐射效应的实验现场。核试验分大气层核试验和地下试验。地面试验容易作，但污染大；空中试验污染小，但测试难；地下试验没有地面污染，但工程量大，测试干扰严重。在全面禁止核试验条约之后，主要核大国还在进行实验 室模拟研究和计算机模拟研究的核试验。[48]
1945年7月25日，杜鲁门决定，如果日本拒绝接受波茨坦公告就使用原子弹。攻击顺序为广岛、小仓、新潟和长崎。7月29日，美军用重巡洋舰将原子弹的核心部分——装在金属密封筒里的铀-235，从旧金山运到马里亚纳群岛的提尼安岛。7月31日，第一枚用于实战的原子弹装配完毕，由于弹体细长，被命名为“小男孩”。[71]
“小男孩”弹重4082公斤，弹长3.05m，弹径0.711米，装料为50公斤丰度为89%的铀-235和14公斤丰度为50%的铀-235。“小男孩”使用枪式设计，通过炸药爆炸，将一块25.6公斤低于临界质量的铀-235，射向三个总重为38.4kg处于低临界的环形铀-235，形成整块超临界质量的铀，引发核链式反应。[72]
8月2日，第20航空队下达作战指令，确定8月6日向日本实施原子弹轰炸，出动7架B-29。1945年8月6日凌晨2时45分，蒂贝茨和机组人员驾驶“埃诺拉·盖伊”号B-29轰炸机起飞。7时50分，“埃诺拉·盖伊”号进入四国上空，高度己达9700米。 军械专家拧下原子弹上一个绿色螺丝，接通了最后一个电路，原子弹处于待爆状态。8时14分17秒，”埃诺拉·盖伊”号炸弹舱打开，将“小男孩‘投向位于广岛市中心太田川上的相生桥。50秒后，一道蓝白色的亮光闪过，一个紫红色光点腾空而起，迅速化作急速膨胀的巨大火球，白色烟柱很快升至3000米高空，逐渐形成蘑菇状烟云，一直升到15000米高空。[71]
“小男孩”原子弹在相生桥以东约100米的外科医院上空580米爆炸，爆炸地点在广岛市中心偏西北处。小男孩装有的铀-235,只有约1公斤在爆炸中进行了核裂变，释放的能量约相等于1.25万吨TNT烈性炸药，即大概为5.5x焦耳。爆炸立刻产生了30万度的高温和时速高达60公里的强烈冲击波。广岛市中心约12平方公里，几乎被夷为平地，全市76328幢建筑物中，4.8万幢全部被毁，22178幢半毁，房屋损失达92%。[71]
1945年8月9日美国投于长崎的原子弹名为“胖子”，是人类历史上第二次使用的核武器。这颗原子弹长3.25米、直径1.52米、重4545公斤，核心是用6.2公斤钚-239制成，释放的能量约相等于2.2万吨TNT烈性炸药，即大概为8.4x焦耳，比投掷在广岛的首枚原子弹稍大。“胖子”核弹由查尔斯·斯文尼驾驶的B-29轰炸机“博士卡”在长崎上空9000米高度投下。早上11时02分原子弹在550米高度爆炸。长崎在爆心投影点2.5公里半径里，所有的建筑物完全被摧毁，在爆心投影点4公里半径 里，大部分的房屋被破坏，原子弹爆炸后约120分钟，约6.7平方公里范围内，建筑物燃起熊熊大火。由于长崎地势多山，造成的损害比平坦的广岛较低。[71]
根据《不扩散核武器条约》，世界上有5个拥有核武器的缔约国，包括中国、法国、俄罗斯联邦、英国和美利坚合众国。该条约规定的核武器缔约国是指在1967年1月1日之前已制造和爆炸核武器或其他核爆炸装置的国家。[9][10]
除了5个国际承认的核国家，还有3个自行“宣布”拥有核武器的国家和1个“模糊国家”。印度1968年开始核武器项目，1974年5月进行了“和平的核爆炸”试验。1998年5月印度进行了五次核试验后，正式宣布该国为拥有核武器国家。1998年5月巴基斯坦在印度核试验后，很快也进行了核试验，并宣布拥有核武器。朝鲜于2006年10月和2009年5月进行了核试验，宣布自己是有核国家。外界猜测以色列拥有一定数量的核弹头，但该国奉行“模糊战略”，对此既不承认也不否认，也没有公开进行过核试验。以上四个国家都没有加入《不扩散核武器条约》。[11]
根据斯德哥尔摩和平研究所统计，截止2022年1月全世界总共有核弹头12705枚，比2021年的13080枚有所减少。其中美国拥有核弹头5428枚，实际部署1744枚，储存核弹头1964枚，等待拆解的核弹头1720枚；俄罗斯拥有弹头5977枚，实际部署1588枚，储存核弹头2889枚，等待拆解的核弹头1500枚。而其他拥有核武器的国家拥有核弹头的总数量只有1000多枚。美俄仍然占据世界核武器数量的89%。[73]
在部署的大约 1,770 枚弹头中，400 枚装在陆基洲际弹道导弹上，大约 970 枚装在潜射弹道导弹上，300 枚装在美国的轰炸机基地，100 枚战术炸弹装在欧洲基地。[74]
空基：美国空军拥有一支由20架部署的 B-2 轰炸机和46架部署的 B-52 轰炸机组成的机队。B-2轰炸机可携带16枚核炸弹，B-52轰炸机可携带20枚巡航导弹，每枚配备一枚弹头。F-15和F-16战斗机可携带B-61重力炸弹。美国正在使用研发F-35和B-21隐身轰炸机投送核武器。[75]
海基：美国海军拥有14艘“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇。每艘潜艇最多可携带20枚“三叉戟-II D5”弹道导弹。每枚导弹最多可携带8枚核弹头，但通常携带4到5枚，平均每艘潜艇可携带90枚核弹头。弹头是9万吨当量W76-1弹头或45.5万吨当量的W-88。 一些俄亥俄级潜艇上也部署了少量W76-2低当量弹头 。[75]
陆基：美国有400枚“民兵-III”洲际弹道导弹 (ICBM)，部署在中西部落基山脉地区的发射井中。每枚洲际弹道导弹携带一枚W87或W78弹头。[75]
据估计，俄罗斯部署的1588枚核弹头中，有大约812枚装在陆基弹道导弹上，约576 枚装在潜射弹道导弹上，可能还有200枚装在重型轰炸机。[76]
空基：俄罗斯的核机队中大约有68架重型轰炸机，包括图-160和图-85MS。图-85MS构成了俄罗斯空基核力量的主力。[77]
海基：俄罗斯现役核力量包括11艘核动力弹道导弹潜艇，包括“德尔塔”级和“北风之神”级，每艘可携带16枚潜射弹道导弹。[77]
陆基：据估计俄罗斯拥有大约306枚战略洲际弹道导弹。这些洲际弹道导弹中最著名的是“白杨-M”SS-27 Mod 1和“亚尔斯”SS-27 Mod 2，它们都能够携带分导式核弹头( MIRV )。[77]
英国拥有大约 225 枚核弹头的库存，其中多达 120 枚可部署在四艘“前卫”级弹道导弹核潜艇上。英国是唯一一个拥有单一威慑系统的核武器国家。[78]2021年英国公布安全防御和审查（SDSR）政策，宣布由于“不断变化的安全环境”，核武器总库存将从120枚增加到不超过 260 枚弹头。英国政府还宣布延长其故意含糊不清的政策，未来将不再公布有关其作战库存、部署的弹头或导弹的数量。四艘“前卫”级弹道导弹核潜艇保持轮换以维持核威慑。每艘弹道导弹核潜艇拥有不超过8枚“三叉戟-II”潜射弹道导弹。[79]
据估计，法国拥有290个核弹头，其中约280个处于部署状态。其余武器被认为可能在维修或储存状态中。[80]
空基：法国有50架“阵风”战机来发射携带核弹头的ASMP空射巡航导弹，包括40架陆基飞机和10架航母舰载飞机来发射其空射巡航导弹。有40枚热核弹头供法国空军使用，10枚弹头可供法国海军舰载航空兵使用。 [80]
海基：法国海军大约有240枚核弹头，全部由4艘“凯旋”级弹道导弹核潜艇携带。法国每次部署1艘在海上执行战备任务，时间为70天。法国海军有两种潜射弹道导弹 (SLBM)，即 M51.1 和 M51.2，1艘“凯旋”级可携带16枚潜射导弹，每枚导弹携带5-6枚分导式核弹头。[80]
据估计，印度已经生产了大约700公斤左右的武器级钚，足以制造138-213枚核弹头。然而，并非所有材料都已转化为核弹头。根据有关其核武器运载力量，外界估计印度已经生产了160枚核弹头。它需要更多的弹头来武装它目前正在开发的新型导弹。[81]
空基：外界推测印度能够通过老式的“幻影-2000-H”和美洲豹战机发射大约48枚核弹头。据推测印度可能在未来使用“阵风”战机投掷核武器。[82]
海基：印度正在开发海基核威慑能力，正在开发射程3500公里的K-4潜射弹道导弹，装备“歼敌者”级弹道导弹核潜艇。[82]
陆基：印度陆基核武器大约有64枚核弹头，通过4种导弹发射，包括两种公路机动短程弹道导弹，“大地-2”和“烈火-1” 导弹，射程分别为250 公里和 700 公里。 另外两种是“烈火-2”和“烈火-3”。它们是中程导弹，可以分别打击最远 2000-3500 公里和 3000-5000公里的目标。印度还在开发射程约为4000公里 “烈火-4”和该国第一种洲际弹道导弹“烈火-5”。[82]
巴基斯坦目前拥有大约165枚核弹头，未来到2025年可能拥有200枚核弹头。[83]
空基：巴基斯坦空军大约有36枚核弹头，巴方的F-16和幻影-3、幻影-5战斗机，据推测有携带核炸弹进行轰炸的能力。幻影-3、幻影-5战斗机还能够携带装备核弹头的Ra'ad巡航导弹，射程超过350公里。未来巴基斯坦所有的幻影战机将由JF-17“枭龙”战机取代。[83]
海基：和印度一样，巴基斯坦也还不具备有效的海基核威慑能力。巴基斯坦已经两次测试了水下发射的能携带核弹头的Babur-3巡航导弹。未来巴基斯坦将在从国外购买的新型常规潜艇上装备潜射巡航导弹。[83]
陆基：巴基斯坦又有6种可搭载1枚核弹头的公路机动中短程弹道导弹，每枚核弹头的当量在5千吨到4万吨不等。此外巴基斯坦还在开发携带分导式多弹头的Ababeel 中程弹道导弹以及携带核弹头的巡航导弹。[83]
外界评估朝鲜生产的裂变材料足以制造45至55件核武器，但实际的组装的数量可能少于此数，大约只有20至30枚核弹。据估计，大多数弹头可能是单级裂变武器，可能当量为1-2万吨，只有极少数是热核弹头。[84]
陆基：2019年以来，朝鲜对KN23、KN24和KN25等新型近程弹道导弹进行了多次测试，外界认为这些导弹可能会携带核弹头。此外朝鲜KN-15)中程导弹，最有可能携带核弹头。朝鲜还在测试开发中远程导弹，但没有证据显示已开发成功。[85]
海基：朝鲜声称正在开发一系列的“北极星”级潜射弹道导弹 (SLBM)。到目前为止，成功的测试仅限于“北极星-1”(KN-11)和“北极星-3” (KN-26)。朝鲜没有公开证据证明有空基核威慑能力。[85]
以色列对于自身的核武器采取模糊政策，从来没有承认拥有核武器。外界猜测以色列核弹头数量少于一百枚，可能大约有 90 枚弹头用于飞机、陆基弹道导弹和可能的海基巡航导弹。[86]但以色列从来没有进行核试验，引发外界对以色列核武器有效性的担忧。[87]
空基：以色列F-16被推测是最有可能携带核重力炸弹的战斗机。未来可能会被F-35代替。[87]
海基：外界猜测以色列的6艘海豚级常规潜艇来发射携带核弹头的巡航导弹用于攻击，但没有确凿的证据表明这种部署。[87]
陆基：以色列拥有射程1500多公里的“杰里科二号”中程导弹和射程4000公里的“杰里科三号”远程导弹。但是外界无法确定以色列有多少枚“杰里科”导弹能携带核弹头。最低的估计是有24枚导弹，最多的估计是100枚。[87]
《部分禁止核试验条约》（PartiaI NucIear Test Ban Treaty）：1963年8月5日，美国、英国、苏联在莫斯科正式签署的的国际条约，全称《禁止在大气层、外层空间和水下进行核武器试验条约》。1963年10月10日，条约生效。中、法等国当时没有参加。该条约是美苏用来巩固核大国垄断地位，限制其他国家发展核武器的工具。条约签订时，美苏已不再需要进行大气层试验；而其他国家在当时的技术条件下如不进行此类试验，则因无法改进技术而不能直接进行地下核试验，进而发展自己有限的战略防御力量。[88]
《不扩散核武器条约》（NPT-Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons）：《不扩散核武器条约》于1968年开放供签署，并于1970年3月5日生效。1995年5月11日，该条约被无限期延长。它有191个缔约国，是在防止核扩散、和平利用核能和核裁军领域内得到最广泛遵守的条约。该条约有美俄英法中五个核武器缔约国。[9]中国自1992年加入条约以来，始终坚定支持条约的宗旨和目标，积极参与条约审议进程。[89]
《反弹道导弹条约》（ABT-Anti-Ballistic Missile Treaty）：全称《美利坚合众国与苏维埃社会主义共和国联盟关于限制反弹道导弹系统的条约》，是由勃列日涅夫与尼克松在1972年5月26日签署。条约中的主要规定苏联与美国可以各自选择两处分散的地点，各部署100枚反弹道导弹防御重要目标。这项规定使双方无法形成一个完整的全国性弹道导弹防御网。[90]《反弹道导弹条约》是美苏《限制战略武器谈判协议》（SALT I-Strategic Arms Limitation Talks Agreement）的一部分。[91]1976年美苏双方同意将两处分散地点变为一处。[92]2001年12月13日，美国宣布将退出美苏1972年签署的《反弹道导弹条约》，6个月后生效。[93]
《美苏限制地下核武器试验条约》（TTBT-Threshold Test Ban Treaty）：1974年7月3日，尼克松与勃列日涅夫在莫斯科签订了该条约。条约规定，美苏两国自1976 年3月31日起停止超过15万吨TNT当量的地下核试验，双方应将核试验次数减少到最低限度。条约还规定双方交换技术资料，以便有利于进行地震核查。双方还保证继续进行谈判，达成全面核禁试。
《美苏限制进攻性战略武器条约》（TREATY BETWEEN THE UNITED STATES OF AMERICA AND THE UNION OF SOVIET SOCIALIST REPUBLICS ON THE LIMITATION OF STRATEGIC OFFENSIVE ARMS）：1979年6月18日福特和勃列日涅夫在维也纳签订该条约，该条约是美苏第二轮的限制战略武器谈判（SALT II）的最终成果。该条约中，美苏承诺将洲际弹道导弹发射器、潜射导弹发射器、重型轰炸机和反舰弹道导弹的总数限制在不超过 2,400 枚，承诺将配备 MIRV 的洲际弹道导弹发射装置的总数不超过 820个。[94]1986年5月26日，美国总统里根宣布因为苏联违反条约而退出《美苏限制进攻性战略武器条约》。[95]
《中程导弹条约》（Intermediate-Range Nuclear Forces Treaty）：1987年12月8日由里根和戈尔巴乔夫在美国首都华盛顿签署，1988年6月1日正式生效。条约规定美苏双方须全部销毁所拥有的中程导弹及其发射装置和辅助设施，双方不得再生产、试验中程导弹和中短程导弹。美、苏双方将销毁2611枚已部署和未部署的中程导弹，其中美国为859枚，苏联为1752枚。[96]2019年8月2日，美国退出《中程导弹条约》。[97]
《第一阶段削减战略武器条约》（START I-Strategic Arms Reduction Treaty）：1991年7月31日，美国和苏联签署了《第一阶段削减战略武器条约》，条约将双方所有类型的弹头减少至6000枚，并将洲际弹道导弹弹头数量限制在2500枚以下，洲际导弹运载工具削减至1600枚。1991年12月苏联解体，留下四个拥有战略核武器的独立国家：俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰和哈萨克斯坦。1992年5月23日，美国与俄白乌哈四国签署《里斯本议定书》，总共5国成为条约缔约国。 该协议在2009年12月5日到期。[98]
《第二阶段削减战略武器条约》( START II )：1993 年1月3日，美国总统乔治·H·W·布什和俄罗斯总统鲍里斯·叶利钦签署了该条约，该条约要求美国和俄罗斯在 2012 年12月31日之前将各自部署的战略武库减少到1700-2200 枚弹头。但该条约从未生效。[99]
《削减进攻性战略武器条约》（SORT-Strategic Offensive Reductions Treaty）：2002年5月24日，美国总统乔治·W·布什和俄罗斯总统弗拉基米尔·普京在莫斯科签署该条约。该条约承诺美国和俄罗斯将部署的战略核力量削减到每个 1,700-2,200 枚弹头。该协议在2003年6月1日生效，总共只有5条，总字数不到500字。该协议在2012年12月31日到期。[100]
《新削减战略武器条约》（New START-New Strategic Arms Reduction Treaty）：2010年4月8日由美国和俄罗斯在布拉格签署，并于2011年2月5日生效。《新削减战略武器条约》取代了1991 年的 START I 条约和2002年《削减进攻性战略武器条约》 (SORT)。条约规定在2018年2月5日前，美俄双方部署的核弹头数量不超过1550枚、用于发射核弹头的发射工具数量不超过800架、已部署的洲际弹道导弹不超过700枚、已部署的潜射弹道导弹不超过700枚、已部署的可挂载核武器的重型轰炸机不超过700架。2021年美俄双方同意将该条约延长至2026年。[101]2023年2月21日，俄罗斯总统普京宣布暂停履行与美国签署的《新削减战略武器条约》。[102]
《禁止核武器条约》（TPNW-Treaty on the Prohibition of Nuclear Weapons）：2017年7月，联合国大会表决通过《禁止核武器条约》。2021年1月，条约正式生效。条约规定禁止发展、制造、试验、部署、使用或威胁使用核武器。中国、俄罗斯、美国、英国、法国等五个核武器国家均未签约。中国理解无核武器国家在推进核裁军进程方面的愿望和诉求，但认为，核裁军进程不能脱离国际安全现实，必须遵循“维护全球战略稳定”和“各国安全不受减损”原则。[103]
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[103]禁止核武器条约.外交部网站. [2023-04-28].
拥有核武器的国家
俄罗斯
半总统共和制国家
美利坚合众国
1776年建立的联邦共和立宪制国家
法国
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