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廣島市原子彈爆炸（日語：広島市への原子爆弾投下），是在第二次世界大戰末期，由美國總統哈里·S·杜魯門下令發動，美國陸軍航空軍於1945年8月6日上午8時15分（日本時間）在日本廣島市投下原子彈「小男孩」的歷史事件。這是人類歷史上第一場核武器空襲行動，核爆炸造成廣島市超過十萬名居民死亡，城市遭到毀滅性打擊。
美國在3天後的1945年8月9日對日本進行第二次原子彈轟炸，摧毀了位於九州北部的海港城市長崎。日本於廣島市原子彈爆炸的9天後，在8月15日宣布無條件投降。
8月2日關島的美軍第20航空軍司令部發出極密指令，命令天寧島的第509混合飛行大隊執行這項任務。
8月4日B-29轟炸機艾諾拉·蓋伊號進行完了最後的投彈訓練，回到了馬里亞納群島的天寧島。
8月5日一架B-29飛機飛臨廣島市上空，7分鐘後廣島市發出空襲警報，這是第509混成部隊的一架天氣偵察機。返回天寧島後，飛行員向上級報告了第2天廣島市將會天氣良好的狀況，得知這一消息後，美國陸軍航空軍的保羅·蒂貝茨上校向艾諾拉·蓋伊號飛行員下達了出擊命令，他說：「今晚我們要做一件具有極其深刻歷史意義的事。」
8月6日凌晨0時37分有3架氣象觀測機從天寧島起飛，一架飛往廣島市，一架飛往小倉市，另一架飛往長崎市，凌晨0時51分預備機TOP SECRET號也向硫磺島飛去。
1時27分搭載小男孩原子彈的艾諾拉·蓋伊號開始準備起飛，1時45分飛機緩緩滑出跑道，兩分鐘後1時47分記錄原子彈威力的科學觀測機起飛，又過了2分鐘後的1時49分拍攝原子彈爆炸瞬間的攝影觀測機也起飛了。就是說包括艾諾拉·蓋伊號在內，一共有6架飛機參加了這次作戰，從天寧島飛往目標廣島市，大約需要7個小時。
上午6時30分作戰指揮官威廉姆海軍上校，助手莫里斯陸軍中尉，投彈手托馬斯陸軍少校，進入飛機彈艙，拔出了「小男孩」的綠色安全插銷，插上了紅色的點火插銷。作業完成後，威廉姆向保羅·蒂貝茨報告「作業完成」的消息。
隨後艾諾拉·蓋伊號的雷達發現周圍有飛機出現，但無法辨別敵我身份。為了安全起見，飛機從2,000米的高度升高到了7,800米，日本的雷達此時也發現了艾諾拉·蓋伊號，並派出飛機偵察，但是艾諾拉·蓋伊號躲過了襲擊，繼續向目的地飛行。
上午7時先行出發的天氣觀測機已經到達廣島上空，它立即與艾諾拉·蓋伊號進行聯繫，報告：「廣島上空天氣良好，視野10英里，高度15,000英尺，雲量12分之1」，於是襲擊目標就被決定是廣島市了。但是這架觀測機引發了廣島市的空襲警報，上午7時31分觀測機飛離廣島市，空襲警報隨之解除。
上午8時9分艾諾拉·蓋伊機組人員看到了廣島市，上午8時10分日本雷達捕捉到了B-29侵入廣島市上空的消息，幾分鐘後廣島市軍管區司令部打算發出空襲警報。但此段期間艾諾拉·蓋伊號已經飛到了廣島市上空，高度是9,632米，機組人員將3組帶有降落傘的觀測設備投下飛機，廣島市民都看到了這3個降落傘。
上午8時12分機組人員進行了最後的準備工作，將飛機設定為自動操縱。上午8時15分17秒，定時裝置發揮效用，原子彈被自動投下。目標是廣島中央太田川上的T字型大橋：相生橋，同時飛機立刻改回手動操縱，來了個155度角的大轉彎，往回飛去。
實際上原子彈在進行了43秒的平拋運動後，於日本標準時間早上8時15分在相生橋東南方的醫院島醫院上空1,900英尺（大約580米）爆炸。
原子彈爆炸引發的衝擊波波及到了艾諾拉·蓋伊號，引起了強烈的震動，機組人員還以為是遭到了高射炮的襲擊，後來才發現真相。下午2時58分飛機順利回到了天寧島，機組人員受到熱烈歡迎，全員均獲授勳。
由於攝影機拍攝的照片的底片被原爆產生的射線照射，多數無法沖洗出來，留存現世的原爆照片並不多。
「小男孩」搭載了50公斤的鈾235。核裂變爆發的能量為500,000億焦耳，相當於15,000噸TNT當量。能量通過衝擊波、熱線、放射線等方式爆發出來，分別占50%、35%、15%的比例。
爆炸的瞬間，中心氣壓達到了數十萬個大氣壓，引發了極為強烈的衝擊波和氣浪。
爆炸中心的風速大約是440米/秒，相當於12級颱風的風速的10倍，超音速的風和衝擊波一起向外擴散，將一般的建築破壞殆盡。
爆心的風壓達到了350萬帕斯卡，相當於在1平方米的地方加壓350噸的重物，就算在半徑1,000米以內，風壓也達到了100萬帕斯卡。此範圍以內除鋼筋混凝土結構的建築外，全部遭到毀滅。2,000米以內的風壓是300,000帕斯卡，此範圍以內的木質房屋全部被毀滅。
熱線的總能量大約是22兆焦耳，即5.3兆卡路里，熱線其實就是紅外線，在爆炸後的3秒內大量放出，熱線的能量與距離的平方成反比。爆炸中心地每平方厘米大約是100卡路里，500米範圍內為56卡路里，1,000米內是23卡路里，也就是說地面受到的能量相當於受普通太陽照射的1,000倍。
爆炸中心的溫度，達到了3,000℃—4,000℃之高。爆心附近的房屋瓦片等紛紛「起泡」，木質房屋達到着火點自燃，包括廣島城在內的各類建築無一倖免。
爆炸發射出了大量的α射線、β射線、γ射線和中子，據推算地表每1平方厘米有高速中子12,000億個、慢中子（熱中子）90,000億個。
原子彈爆炸產生了巨大的蕈狀雲，蕈狀雲裡含有大量放射性落下灰。它們和雲中的水汽混合在一起，形成了黑色的雨並落在廣島一帶。這種雨具有高放射性，因此污染了河流，而當時因受核爆影響造成劇烈口渴的難民在飲用這些雨水後，多數在數日內死亡。
大多數的估計認為在廣島約有70,000人因核爆的熱輻射和衝擊波立即喪生，包含時任廣島市長粟屋仙吉。到1945年年底估計因燒傷、輻射和相關疾病影響而死亡之人數，90,000人至140,000人[1]，另外估計至1950年止共有200,000人因癌症和其他長期併發症死亡[2][3][4]。
距離原爆中心500米以內的被害者有90%以上當場死亡或當日死亡、500米—1,000米以內超過60%—70%的人當場死亡或當日死亡，暫時生存下來的人有50%在6天內死亡，過了6天又有25%的人死亡。
直到1945年11月爆炸中心500米以內的人98%—99%已經死亡，500米到1,000米範圍內有90%的人已經死亡，從1945年8月到12月總共有90,000人—120,000人死亡。距離原爆點非常近的倖存者中，野村英三是最近的一位，當時他正在170米外的地下室中[5][6]。高藏信子則是位於300米外的廣島銀行中，因為該建築相當堅固，所以能倖免於難[7]。
截止2019年，統計的死亡人數達32萬4129人[8]。
原子彈引發的大量熱線和放射線，爆心1,000米以內的人，均受到了5度的重度燒傷，表皮全部碳化。熱線的影響範圍是3,500米以內。此範圍內的木質房屋大都自燃，更是造成了2次燒傷，爆炸中心1,000米以內而又在屋外的人，90%在7天內死亡。
衝擊波本身會直接對被害者造成損傷，而衝擊波所毀壞的建築物碎片又以高速衝向被害者，造成2次外傷[來源請求]。
原子彈爆炸發射出的大量放射線，使大量被害者得了急性輻射綜合症。其症狀包括噁心、嘔吐、食欲不振、腹瀉、發熱、脫毛症、皮下出血等等，也有人因此得了白血病，被害者大部分在1個月內死亡。
二次放射能症主要發生在隨後趕來救援的人，因為防護措施不足，也有人得了放射能症，不過數量較少，受黑雨影響的人也得了二次放射能症。
1966年岡崎令治夫婦發現DNA合成前體的短片段「岡崎片段」，被認為必將獲得諾貝爾獎，但岡崎令治已在1975年死於廣島原爆誘發的慢性粒細胞性白血病，享年44歲。
戰後美國史界一直存在聲音，認為對大都市投下原子彈是對平民的暴行、應當譴責。但亦一派認為原子彈提早結束戰爭，從而拯救了更多生命。
中華人民共和國在90年代以前一直對原子彈持批判態度，如《人民日報》1961年的《在「英雄」和「瘋子」之間》[9]、1965年的《控訴美帝罪行 不許廣島事件重演 廣島舉行「原子彈受害者救濟大會」 阿報指出核訛詐嚇不倒各國人民》及二戰40周年1985年的《長崎和平行》[10]等文，1979年《兵器知識》創刊號上的《中子彈》一文也直接稱廣島長崎原爆為「罪孽」。而現今中國媒體對於原子彈的態度已有所改變，如《人民網》2015年的《日本核爆受害者之子：核爆根源是日本的戰爭加害》指出日本政府藉由核爆來強調日本是二戰受害者，淡化日本侵略者的身份，並藉此掩蓋日本犯下的戰爭罪行。[11]《中國評論通訊社》2015年的《日媒炫耀百國代表紀念核爆》指出日本被核武攻擊是實施軍國主義的惡果[12]。
蘇聯元帥華西列夫斯基認為使日本投降的是蘇軍而不是原子彈，並認為「大量殺傷日本城市居民絕不是出於任何軍事上的必要…，不如說是對蘇聯實行冷戰的第一步」[13]。2015年，俄羅斯國家杜馬主席謝爾蓋·納雷什金（俄語：Сергей Нарышкин）表示美軍使用原子彈攻擊日本時未考慮人道問題，也沒有考慮其必要性[14]。
在戰後美軍接收日本的這段期間，關於廣島與長崎的核爆的報導及出版物遭到日方及美軍嚴格的審核，其關於被爆者的醫學研究亦多數被管制及被美軍移送美國，這些嚴格的出版審核直至數年後才解禁。在美國方面，軍方亦有打壓相關言論，儘管有一些反核的聲浪及相關出版物，但皆遭到當時美國軍方的強烈駁斥，使得美國人民對於核爆事件的印象大多為「終止戰爭的必要之惡」。
1954年4月1日，位於廣島市中區中島町的廣島和平紀念公園開放。1955年8月，廣島和平紀念資料館開館。
1981年1月，原爆遺跡選定會議決定在9處地點樹立紀念牌，包括原爆圓頂、島醫院（爆炸中心）、元安橋、本通商店街、基町第二陸軍醫院遺址、 廣島紅十字醫院、袋町小學校、廣島市役所和廣島站，並計劃3年設立30處。[15]
1990年，德國柏林的格拉夫施佩街（德語：Graf-Spee-Straße）更名為廣島街（德語：Hiroshimastraße）以聲援這座受到原子彈爆炸之害的城市[16]。
2003年，菲德爾·卡斯特羅訪問了廣島原子彈爆炸中心，並獻了花圈和默哀。[17]
2010年，美國駐日大使約翰·魯斯成為首名參加廣島原子彈爆炸紀念活動的美國政府代表。
2011年，美國駐日副大使詹姆斯·朱姆沃爾特先後出席廣島和長崎的紀念活動，成為首名同一年兩次參加日本原子彈爆炸紀念活動的美國政府代表。
2016年5月27日，美國總統歐巴馬在訪日期間造訪廣島，並前往廣島和平紀念公園向原爆罹難者致哀，成為廣島原爆發生71年以來，首位訪問廣島的現任美國總統[18]。
國際廢除核武器運動（ICAN）獲得2017年諾貝爾和平獎，日本出身的廣島原爆倖存者瑟羅節子（舊姓中村）代表領獎。日本被團協以及廣島市市長松井一實、長崎市市長田上富久皆出席觀禮。
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