美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯峡谷作为曼哈顿计划的核心之地而闻名于世，其目标是赶在战争结束前制造出原子弹，该计划涉及美国、英国和加拿大三国，总人数达到539000人，但制定和了解通盘计划的只有12人。

1943年春，洛斯阿拉莫斯实验室正式开始运行，这里聚集了多位诺贝尔获奖者和未来的获奖者，被称为“有史以来最庞大的‘金头脑’的组合”。铀-235和钚-239是生产原子弹的重要燃料，为了迅速取得炸药，奥本海默决定三管齐下。费米领导筹建原子反应堆，以获得铀-235和钚-239；劳伦斯负责筹建电磁同位素分离，从天然铀中分离铀-235；尤里负责用气体扩散法生产浓缩铀-235。

1942年12月，在恩利克·费米领导下，芝加哥大学建成世界第一个实验型原子反应堆，成功实现了可控链式裂变反应；1944年3月，橡树岭工厂生产出第一批浓缩铀-235，1944年9月里奇兰基地首次成功实现水冷、石墨减速的核链式裂变反应。

1945年7月，第一颗实验性原子弹最后装配成功，16日凌晨5点30分，在洛斯阿拉莫斯20英里外的霍尔纳多成功进行了核试爆，爆炸当量大约为2万吨TNT的威力。原子弹试爆成功之后，于1945年8月6日，美国将原子弹投向日本广岛，三天后，1945年8月9日将第二颗原子弹投向了长崎。日本在8月15日宣布无条件投降，第二次世界大战就此结束。

原子弹的制造成功，意味着人类进入了核时代，8月9日是人类最后一次在战争中动用核武器。曼哈顿计划也随之载入人类历史史册。

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