曼哈顿计划（英语：Manhattan Project）是第二次世界大战期间研发与制造原子弹的一项大型军事工程，由美国主导、英国与加拿大提供相关支援，该计划于1942年至1946年间由美国陆军工程兵团的莱斯利·理查德·格罗夫斯中将领导，美国物理学家罗伯特·奥本海默作为洛斯阿拉莫斯国家实验室的首任主任负责原子弹的制造。
曼哈顿计划前期早在1939年即秘密地展开，原名为“代用材料项目发展”（Development of Substitute Materials），后改为“曼哈顿工程区”（Manhattan District）；期间，美方也吸收了较早展开的英国核武器研发计划——“合金管工程”之成果。1941年12月7日，日本偷袭美国珍珠港，美国随即对日宣战，自此美国正式卷入第二次世界大战。此时，纳粹德国已经开始了德国核武器开发计划“铀计划”（德语：Uranprojekt），目的是制造出核武器并运用在二战之中。因此，包括阿尔伯特·爱因斯坦在内的一些美国及同盟国科学家提出要在纳粹德国之前研发出原子弹，该提议获得时任美国总统富兰克林·罗斯福的支持。
曼哈顿计划于1942年8月13日正式命名，雇用了超过13万人员，花费了将近20亿美金（相当于2018年230亿美金），超过90％的费用用于建造工厂和制造核裂变的原材料，用于制造和发展武器的部分仅占不到10％，此一工程在横跨美国、英国和加拿大三国的30多个城市中均有进行。1942年12月2日，在恩里科·费米的领导下，世界上第一个可控核反应堆在芝加哥大学建成（芝加哥1号堆，Chicago Pile-1），成功实现了可控的核链式反应。1943年春，奥本海默领导科研人员开始在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室进行原子弹的制造工作。 1944年，美国田纳西州的橡树岭工厂利用欧内斯特·劳伦斯发明的电磁同位素分离法等方法生产出第一批浓缩铀原材料。 1945年7月12日，第一颗实验性原子弹开始最后的装配；7月16日，美国的第一颗原子弹在新墨西哥州的沙漠中试爆成功，史称“三位一体”核试验，爆炸当量大约21,000吨TNT炸弹。 1945年8月6日，美军向日本广岛投放名为“小男孩”的原子弹；8月9日，美军向日本长崎投掷名为“胖子”的原子弹。8月15日，日本宣告无条件投降，第二次世界大战结束。
第二次世界大战期间，美军实际研发出两种类型的原子弹：其中一种设计上较简单、使用铀235制成的“枪式”，另一种设计上较为复杂、使用钚元素制成的“内爆式”。其中小男孩采用前者的枪式设计，而胖子采用后者的内爆式设计。 由于铀235在天然铀中仅占0.7％，其他绝大部分都是质量相同、难以分离的同位素铀238，故美方以三种分离方式来提高其铀-235的浓度——电磁（“电磁型同位素分离器”）、气体（“气体扩散法”）与热（“索瑞特效应”），大部分工作都在田纳西州橡树岭一地进行（橡树岭国家实验室）。 而钚元素于1940年在伯克利加州大学首次被发现，之后便作为核原料被研究、提纯、使用。
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