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长崎市原子弹爆炸是第二次世界大战末由美军对日本长崎市发起的一次核攻击，发生于日本标准时间1945年8月9日上午11时02分（UTC+9）[1]，是人类历史上第2次、也是迄今为止最后一次于战争中使用核武器（第1次为8月6日对日本广岛市的核攻击）。投下的原子弹名为“胖子”，属于Mk-3型原子弹。当时长崎市人口有240,000人，战后估计死者至少74,000人，而建筑物36%受到全面烧毁或破坏[2][3]
对日本本土投下原子弹的战略意义重大，其目的在于利用核子武器威慑日本，打击日军作战决心，并瓦解其本土决战战略。在该次轰炸行动6天后（1945年8月15日），日本正式宣布投降。这也对日本未来生态造成影响。
广岛遭受到核攻击后，日本政府仍然拒绝同意《波茨坦公告》。虽然盟军考虑过日本拒绝投降的可能，而制定了一个全面进攻日本本土的没落行动，但自莱特湾海战以降，日军神风特攻队的自杀攻击与硫磺岛、琉球日军的长期抵抗令盟军付出高昂代价，盟军高层预测登陆日本本土的作战将会是漫长且伤亡惨重的行动，因此认为有必要再作第2次核攻击，以摧毁日军抵抗的决心。
长崎市原子弹爆炸中所使用的核武器名为“胖子原子弹”，内爆式起爆的胖子原子弹使用了在自然界中极微量而通常不会在自然界中存在的钚-239。
钚原子弹的核裂变反应与铀原子弹所作出的不尽相同，所以两者构造不一，若果换算成TNT炸药的尺度，胖子原子弹的破坏力可造成22,000吨TNT炸药的等量破坏。而使用了铀-235的小男孩原子弹则可以造成等同15,000吨TNT炸药的破坏，换言之胖子原子弹的破坏力大约是小男孩原子弹的1.5倍。
自1939年9月在第二次世界大战的欧洲战线爆发得如火如荼，物理学家利奥·西拉德则往美国亡命，为富兰克林·德拉诺·罗斯福总统送上历史性的原子弹开发建议书。
最后以钚作为原子弹等核子武器的原料一事迅速得到国际关注。
根据1940年3月的《弗里施-佩尔斯备忘录》，实际的原子弹制作就被表明，核裂变过程所得的能源方面就即将成为军事研究的范畴之一。
辅助美军在8月6日进行广岛市原子弹爆炸作战的侦察机B-29“大艺术家”（Great Artiste）驾驶者查尔斯·W·斯维尼少校在回到天宁岛的晚上接到来自部队司令－即是投下小男孩原子弹，造成广岛市原子弹爆炸的B-29“艾诺拉·盖”（Enola Gay）机长保罗·提贝玆上校的命令：再次指挥第2次的核攻击作战计划，小仓市为首要目标，若因其他因素无法攻击，则转向次要目标长崎市。
当时所接受的指定战术是等待一架气象侦测机归队，然后再派出3架无护航的B-29侵袭都市的上空，与广岛市原子弹爆炸时所采用的战术相同。斯维尼少校因为意识到日军可能会得知自己的袭击计划而感到担忧[4]。
这一次作战计划共有6架轰炸机参战，
斯维尼少校所搭乘的飞机通常就是B-29“大艺术家”，而这架机在广岛一役搭载了观测专用的器材。为了省却将器材运送至另外的飞机而特意拆除“大艺术家”的装备的时间，斯维尼少校就提出与博柯上尉交换机体的建议，于是B-29“博克斯卡”就成为了此役主事空袭的炸弹空投专用机。
但是机体的昵称在这次攻击的时候没有描上机身编号，所以惟一获得作战过后的采访权的纽约时报记者威廉·罗伦斯在不知道斯维尼少校的机体交换建议的情况之下写出“炸弹空投机体是斯维尼少校所驾驶的B-29‘大艺术家号’”一稿，这件事的因果就在战后传开了[5]。
除了驾驶B-29“博克斯卡”的斯维尼少校与10名机组员以外，还有雷达监视员雅各布·贝塞尔（Jacob Beser）中尉，负责原子弹方面的弗雷德里克·阿什沃思海军中校、菲利普·班兹中尉以及另外3名军官。
出击之前在B-29“博克斯卡”后部的炸弹库的后备油箱出现泵故障，因此不能使用油箱内的2,000升燃料。而斯维尼少校鉴于修理的过程会对作战造成延误，加上以当时的机体状态而言，他预料B-29“博克斯卡”仍能完成任务并回程，所以他在未经修理的情况下在日本时间8月9日上午2时45分离开提尼安岛，开始作战。
首先到达小仓市的“艾诺拉·盖”等待有薄雾的小仓市放晴，而到达长崎市的“被束缚的龙”看着薄雾变浓。据报告，云雾覆盖了两城约20%的上空。
经过硫黄岛的上空，于上午7时45分到达屋久岛上空的会合地点，斯维尼少校虽然成功与测量机体B-29“大艺术家”会合，但是摄影用机B-29“巨大恶臭”因为错误地升上12,000米高空而偏离了队伍，无从会合[6]，40分钟之后斯维尼少校在不得已的情况下与其余的机体编队继续作战。
在上午9时40分他们开始由大分县姬岛进行高空轰炸，直至到达小仓市原定的炸弹空投目标。他们在上午9时44分到达炸弹空投目标：小仓陆军军营上空。但是高空轰炸人员迦米特·毗汉陆军上尉无从循目视确认目标位置[7]，后来他们试图利用较短的路径再次寻找机会，他们最后耗用了45分钟，失败了3次。
在他们轰炸小仓市3度失败之后，机体燃料所剩无几，而B-29“博克斯卡”未经修理的燃料系统在后备燃料的替补方面出现异常。而且当时小仓市的天气每况愈下，日军的高射炮正在对准他们进行激烈的对空攻击，再者，他们确认了日军紧急派出了10架零式战机应战，于是他们在上午10时30分离开小仓市上空，并转向次要目标长崎市。
到达长崎市的气象侦测机B-29“被束缚的龙”开始向总部报告：“长崎市的高空天气晴朗，但是云雾开始慢慢增加”，再经过一段时间之后，长崎市的上空也被浓密的云遮掩住。
B-29“博克斯卡”在离开小仓市的20分钟之后，开始往长崎县的上空侵袭，在上午10时50分许，B-29“博克斯卡”接近长崎市上空的时候，80%到90%的积云覆盖了1,800米至2,400米的高空[8]。
他们采用了辅助性质的AN/APQ-7雷达，并尝试循西北方接近他们原定的瞄准目标：长崎市内城区中心上空。斯维尼少校打算在这种不能进行目视轰炸的情况之下在太平洋将原子弹投放，而兵器组的阿什沃思海军中校督促过斯维尼少校必须“利用雷达系统进行轰炸”[9]。
斯维尼少校打算违反命令，单靠雷达系统瞄准并进行轰炸而将瞄准的目标偏向原定目标的北方的时候，他们开始可以循着云隙窥探得到长崎市的街道。高空轰炸人员毗汉陆军上尉于是大声叫喊：
| “ | 我们看到街道了！
发现攻击目标！在云隙之中找到次要目标了！ |
” |
斯维尼少校将自动控制机体移动的任务交给毗汉上尉，他们随机选定了以工业区作为瞄准目标，在9,000米的高空将Mk-3型的原子弹胖子用手动操作投下。胖子沿着假想的抛物线落下，在大约1分钟之后（即是上午11时02分）在距离长崎市内城区中心3,000米的别墅网球场（松山町171区）503米的高空爆炸[10]。
当初原定的目标是在内城区中心的中岛川常盘桥，如果原子弹照原定目标爆炸的话，在史实上爆炸的中心地区就在原定受害区域的较北端。
B-29“博克斯卡”在投下原子弹之后为了避开冲击波而向东北方转向155度并俯冲，从投弹到爆炸之间的一段时间，测量机体B-29“大艺术家”将3个测量气压、气温等的无线电高空测候器连降落伞投下来[11]。这些无线电高空测候器在原子弹爆炸之后，向东飘落，在大约正午时分在户石村（距离爆炸中心区11.6公里）、田结村（距离爆炸中心区12.5公里）以及江之浦村（距离爆炸中心区13.3公里）降落着地[12]。这些无线电高空测候器收藏着广岛原爆计划与美军同行的物理学家路易斯·阿尔瓦雷茨想交给在当时身在东京帝国大学并在当地任教的旧友：物理学家嵯峨根辽吉的信纸，大概内容是阿尔瓦雷茨想让清楚原子弹破坏力的嵯峨根劝谏日本政府向盟军投降[13]。
B-29“博克斯卡”与B-29“大艺术家”在长崎市的上空盘旋并确认长崎市的受害状况，并向天宁岛的基地传送关于这一次核攻击的报告。
| “ | 在视野范围之内成功轰炸长崎市。当地没有派出战机作出防御，更加没有针对航空队的防空炮火。结果可以说是面临“技术上的成功”，不过根据其他的要素，我们必须在作出下一次行动之前作出会议。在长崎市的轰炸在表面上的效果与在广岛市的一样，鉴于炸弹空投机体出现故障，我们有前往冲绳的必要，因为剩余的燃料只容许我们在冲绳停泊。[14] | ” |
这段时间原子弹爆炸的始末就被记录成16mm彩色胶卷的3分钟50秒长的影像。在这段影像所出现的是在爆炸的一刻清楚地见到火球自蘑菇云之上喷出。而记录了广岛市发生的原子弹爆炸的影像因为胶卷冲洗方面的失败并没有保存下来。所以这段长崎市原子弹爆炸的影像就成为了现存惟一可以播放的描述实战原子弹爆炸的影像。而这篇影像在1980年被日本接收，到现在影像还可以在电视节目之中使用。
B-29“博克斯卡”在完成任务并离开长崎市上空的时候还剩下大约1,000升的燃料，斯维尼少校经过计算得出，他不能够飞行80公里—120公里的航程到冲绳。斯维尼少校将引擎关掉，以一面转弯一面降落的方法节省燃料，于下午2时在冲绳县读谷机场紧急着陆[15]，据说在他着陆后战机只剩下26升的燃料。在着陆后，他与空袭东京而驰名的美国第八陆军司令吉米·杜立德中将展开会谈。B-29“博克斯卡”与B-29“大艺术家”完成燃料补给、装备整理后，于下午5时离开冲绳，最后在下午11时06分成功返回天宁岛的基地覆命。
原子弹在浦上地区的中央爆炸，在该区造成严重的毁灭。幸而因为长崎市四面环山，尚有如金毘罗山等众多的山脉遮蔽，所以除了不受遮蔽的湾岸地区以外，受损较轻微。加上投弹位置离市中心相距约三公里，所以受害程度得以减轻。如果长崎市四面都是平原，长崎市所受到的破坏将会不计其数[16]。 另外，当中也有在广岛核爆受难的民众，被疏散到长崎投靠亲友而难逃此劫；或是因出差等原因造访广岛而受难的民众，原来在长崎的家也因核弹遭殃等等，所谓“双重受难”特别不幸的事例，例如山口彊（1916－2010）。
浦上地区被轰炸的惨状，与广岛市不相上下。距离原爆点仅约500米的浦上天主堂，轰炸当天聚集参加圣母升天节庆祝弥撒的神父与信徒们，由于爆炸所伴随的热辐射、以及随之而来塌陷崩解的瓦砾，所有人当场死亡。在长崎医科大学里，看病及住院的病患与医护人员们，大部分都当场死亡。在长崎市内收容战俘的设施中，据说也造成了联军士兵（主要是英军与荷军）大量的伤亡。当时为台湾日治时期的台湾，也有许多在长崎居住的留学生、医师、家属因原子弹轰炸造成死伤，王文其、陈新赐等台湾幸存者直到2012年才拿到日本政府的补偿金[17]。
截至2020年，长崎原爆死难者总计人数为18万5982人[18]。
在药品与医疗器材不足的情形下，幸存下来的医生及护理人员展开救援行动。原爆对事前制订的医疗救护体制造成严重打击，因而无法对伤者进行有效的紧急处理。在这种混乱的情形下，运输省的四辆救护列车在爆炸3小时后，接近仍是熊熊大火的爆炸中心，将许多的伤患送往沿线各医院。傍晚时分，附近的医院组织救护队前往救援，长崎县所属的警防团也在夜间组织救护队前往进行救援活动，并请求当地及附近其他县的警察派遣救难队。
虽然原子弹的投放有许多盟军高层人员的支持，他们认为这加快了日本的投降，可以避免更多的人员伤亡。但是原子弹爆炸造成平民的巨大伤亡也招来了一些非议。
2008年诺贝尔化学奖得主下村脩也是长崎原爆受害者，他在诺贝尔颁奖典礼中说：
| “ | 即便为了加速结束战争而向广岛投放原子弹可以算正当的理由，三天后将炸弹投向长崎，就明显是在试验新武器了，这种做法是没有正当性的。[19] | ” |
此说也获得洛斯阿拉莫斯国家实验室的Bette Korber（生物学家）、Gary Doolen（物理学家）背书，他们指称“向苏联展示军力”才是决策长崎原爆的首因。
但是也有军事历史学家认为，冲绳岛战役是直接导致对广岛和长崎使用原子弹的原因，并以此为手段的避免对日本本土实施地面入侵。其中一个持有这种突出的看法是维克托·戴维斯·汉森，他认为，因为冲绳战役造成了数万名美国人士兵的伤亡，当时的日本领导人还发誓他们将战斗到最后一刻，时任美国总统杜鲁门因此想用原子弹来避免入侵日本本土。[20]实际上在广岛遭受核弹轰炸后，日本高层对于是否投降仍存有歧见[21]，直到长崎遭受核弹轰炸后6天，日本才终于宣布无条件投降。
国际废除核武器运动（ICAN）获得2017年诺贝尔和平奖，日本出身的广岛原爆幸存者瑟罗节子（旧姓中村）代表领奖。日本被团协以及广岛市市长松井一实、长崎市市长田上富久皆出席观礼。
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