分離鈾－235的困難，使科學家們開始另辟蹊徑，他們發現，鈾—238吸收中子後可以變成鈈－239，用慢中子去轟擊鈈－239也可以產生核裂變，而且反應速度比用鈾－235還要快得多。於是，曼哈頓工程還包括以鈾－238為原料生產鈈－239的工作。工程指揮者在生產鈈的兩種方案中，選擇了費米主張的用石墨型反應堆生產的方案。為了取得設計大型反應堆的數據，在費米領導下，工程技術人員在芝加哥大學的體育場上建成了世界上第一個實驗型原子反應堆，並且很快開始投入正常運轉。由於這個反應堆一年隻能生產2毫克的鈈，後來杜邦公司建立了三座大型反應堆，1945年7月，終於生產出60公斤鈈—239，為製造原子彈奠定了可靠的核燃料基礎。
有了足夠的鈾－235和鈈－239，就可以製造原子彈了。隻要將濃縮鈾或鈈分成許多小塊，使每小塊低於臨界質量，就可以安全存放。在炸彈引爆裝置起爆的瞬間，迅速將這些小塊堆擠到一起，使其總質量超過臨界質量，這種不受控製的核裂變鏈式反應在千分之一秒內即告完成，形成猛烈的爆炸，造成極大的殺傷和破壞力。原子彈的實際製造，是在後來被譽為“原子彈之父”的科學家奧本海默的領導下，於1943年未完成的，1945年7月16日，第一顆原子彈試驗成功。這次試驗的成功，真正使核裂變炸彈運用在軍事戰爭上成為現實。
此時，第二次世界大戰即將結束，德國法西斯早已被摧毀，對日本作戰也接近尾聲。當時美國幾十名物理學家聯名向美國政府寫了請願書，要求不要使用原子彈；有些科學家建議將原子彈投擲到某個無人居住的海島上，向日本參謀部的專家顯示一下威力就行了。但是，為了迫使日本盡快無條件投降，美國政府沒有聽這些建議，1945年8月6日和9日，兩顆原子彈先後投在日本的廣島和長崎，數十萬無辜的日本居民，死於原子彈爆炸的巨大災難中，成為科學用於武器的犧牲品。這是20世紀科學家發展科學卻又掌握不了科學的悲慘結果之一。
由於原子彈的巨大破壞力，使它成了冷戰時期的重要戰略武器，各國競相研製。繼美國之後，1949年，前蘇聯爆炸了一顆威力比美國投擲廣島的原子彈大5倍的核彈，首次打破了美國的核壟斷，同時使美蘇核武器競賽拉開帷幕。1964年，我國繼美、蘇、英、法之後，也成功地爆炸了第一顆原子彈，同時聲明，任何時候任何情況下決不首先使用核武器，並為世界最後全部、徹底、幹淨地消滅核武器而努力。
1985年，聯合國公布的材料表明，目前全世界共有核彈頭5萬多個，爆炸當量約為150億噸梯恩梯炸藥，其中美國和前蘇聯占70％，按世界人口平均，每人均受到相當於3噸梯恩梯炸藥的核威脅，無怪乎有人把原子彈稱為“毀滅地球的發明”，此言正中要害。
熱核聚變與氫彈
1915年，美國化學家哈金斯提出，氫原子聚變為氦原子的過程，其質量的0．5％轉變為能量。其具體機製是：在數百萬度高溫條件下，氫原子核會具有很高的能量，足以使兩個質子結合在一起，發射出一個正電子和一個中微子，變成氘核。然後，這個氘核再同一個質子熔合，形成一個氚核。這個氚核可以再和一個質子熔合而形成氦－4。但是，這種氫原子核聚變生成氦原子核的反應必須在極高溫度的激發下才能發生，當時，在地球上還沒有得到數百萬度高溫的辦法。人們認為，隻有恒星的中心才有引發這種氫核聚變所必需的高溫條件。1945年，原子彈爆炸成功，使人們尋找到產生數百萬度高溫的途徑，使核聚變的引發變成了可能。
具體講，就是把鈾核裂變原子彈作為能量足夠大的雷管，通過原子彈爆炸產生的高溫引發氫聚變為氦的鏈式反應。但是人們又懷疑這種方式能否用於製造炸彈，首先是氫燃料氘和氚的混合物，必須壓縮成高密度狀態，就是把它液化成液體，並保持在接近絕對零度的低溫貯存器中。也就是說，氫彈必須是一個巨大的製冷器。還有一個問題，即使能夠製造出威力比原子彈還大的氫彈，它有什麼用呢？原子彈的破壞力已夠大的了，人們難道還嫌它小嗎？
從1942年起，美國就有人產生了用原子彈引爆氫彈的設想，由於支持研製氫彈和反對研製氫彈的意見長期激烈爭論，一直相持不下，1949年，前蘇聯成功地爆炸了原子彈，使美國震驚不小，因為美國從此失去了原子彈的壟斷地位。於是，1950年，美國總統杜魯門最後決定研製氫彈。1951年5月，美國製成了以原子彈為點火裝置的氫彈，但沒有立即進行試驗。直到1952年11月才在愛紐維特克進行首次氫彈試驗。試驗成功了，而所有不祥的預言也都應驗了：其爆炸威力相當於12兆噸梯恩梯炸藥，比美國投在廣島那顆原子彈大500倍；爆炸產生的巨大火球直徑達6000米；這次爆炸把這個小珊瑚島一掃而光，而且在海下炸出一個直徑1600米，深50米的彈坑。