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長崎市原子彈爆炸是第二次世界大戰末由美軍對日本長崎市發起的一次核攻擊，發生於日本標準時間1945年8月9日上午11時02分（UTC+9）[1]，是人類歷史上第2次、也是迄今為止最後一次於戰爭中使用核武器（第1次為8月6日對日本廣島市的核攻擊）。投下的原子彈名為「胖子」，屬於Mk-3型原子彈。當時長崎市人口有240,000人，戰後估計死者至少74,000人，而建築物36%受到全面燒燬或破壞[2][3]
對日本本土投下原子彈的戰略意義重大，其目的在於利用核子武器威懾日本，打擊日軍作戰决心，並瓦解其本土決戰戰略。在該次轟炸行動6天後（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。
廣島遭受到核攻擊後，日本政府仍然拒絕同意《波茨坦公告》。雖然盟軍考慮過日本拒絕投降的可能，而制定了一個全面进攻日本本土的沒落行動，但自雷伊泰灣海戰以降，日軍神風特攻隊的自殺攻擊與硫磺島、琉球日軍的長期抵抗令盟軍付出高昂代價，盟軍高層預測登陸日本本土的作戰將會是漫長且傷亡慘重的行動，因此認為有必要再作第2次核攻擊，以摧毀日軍抵抗的決心。
長崎市原子彈爆炸中所使用的核武器名為「胖子原子彈」，內爆式起爆的胖子原子彈使用了在自然界中極微量而通常不會在自然界中存在的鈽-239。
鈽原子彈的核裂变反應與鈾原子彈所作出的不盡相同，所以兩者構造不一，若果換算成TNT炸藥的尺度，胖子原子彈的破壞力可造成22,000噸TNT炸藥的等量破壞。而使用了鈾-235的小男孩原子彈則可以造成等同15,000噸TNT炸藥的破壞，換言之胖子原子彈的破壞力大約是小男孩原子彈的1.5倍。
自1939年9月在第二次世界大戰的歐洲戰線爆發得如火如荼，物理學家利奧·西拉德則往美國亡命，為富蘭克林·德拉諾·羅斯福總統送上歷史性的原子彈開發建議書。
最後以鈽作為原子彈等核子武器的原料一事迅速得到國際關注。
根據1940年3月的《弗里施-佩尔斯备忘录》，實際的原子彈製作就被表明，核裂變過程所得的能源方面就即將成為軍事研究的範疇之一。
輔助美軍在8月6日進行廣島市原子彈爆炸作戰的偵察機B-29「大藝術家」（Great Artiste）駕駛者查尔斯·W·斯維尼少校在回到天寧島的晚上接到來自部隊司令－即是投下小男孩原子彈，造成廣島市原子彈爆炸的B-29「艾諾拉·蓋」（Enola Gay）機長保羅·提貝玆上校的命令：再次指揮第2次的核攻擊作戰計劃，小倉市為首要目標，若因其他因素無法攻擊，則轉向次要目標長崎市。
當時所接受的指定戰術是等待一架氣象偵測機歸隊，然後再派出3架無護航的B-29侵襲都市的上空，與廣島市原子彈爆炸時所採用的戰術相同。斯維尼少校因為意識到日軍可能會得知自己的襲擊計劃而感到擔憂[4]。
這一次作戰計劃共有6架轟炸機參戰，
斯維尼少校所搭乘的飛機通常就是B-29「大藝術家」，而這架機在廣島一役搭載了觀測專用的器材。為了省卻將器材運送至另外的飛機而特意拆除「大藝術家」的裝備的時間，斯維尼少校就提出與博柯上尉交換機體的建議，於是B-29「博克斯卡」就成為了此役主事空襲的炸彈空投專用機。
但是機體的暱稱在這次攻擊的時候沒有描上機身編號，所以惟一獲得作戰過後的採訪權的紐約時報記者威廉·羅倫斯在不知道斯維尼少校的機體交換建議的情況之下寫出「炸彈空投機體是斯維尼少校所駕駛的B-29『大藝術家號』」一稿，這件事的因果就在戰後傳開了[5]。
除了駕駛B-29「博克斯卡」的斯維尼少校與10名機組員以外，還有雷達監視員雅各布·贝塞尔（Jacob Beser）中尉，負責原子彈方面的弗雷德里克·阿什沃思海軍中校、菲利普·班茲中尉以及另外3名軍官。
出擊之前在B-29「博克斯卡」後部的炸彈庫的後備油箱出現幫浦故障，因此不能使用油箱內的2,000公升燃料。而斯維尼少校鑑於修理的過程會對作戰造成延誤，加上以當時的機體狀態而言，他預料B-29「博克斯卡」仍能完成任務並回程，所以他在未經修理的情況下在日本時間8月9日上午2時45分離開提尼安島，開始作戰。
首先到達小倉市的「艾諾拉·蓋」等待有薄霧的小倉市放晴，而到達長崎市的「被束缚的龙」看著薄霧變濃。據報告，雲霧覆蓋了兩城約20%的上空。
經過硫黃島的上空，於上午7時45分到達屋久島上空的會合地點，斯維尼少校雖然成功與測量機體B-29「大藝術家」會合，但是攝影用機B-29「巨大恶臭」因為錯誤地升上12,000公尺高空而偏離了隊伍，無從會合[6]，40分鐘之後斯維尼少校在不得已的情況下與其餘的機體編隊繼續作戰。
在上午9時40分他們開始由大分縣姬島進行高空轟炸，直至到達小倉市原定的炸彈空投目標。他們在上午9時44分到達炸彈空投目標：小倉陸軍軍營上空。但是高空轟炸人員迦米特·毗漢陸軍上尉無從循目視確認目標位置[7]，後來他們試圖利用較短的路徑再次尋找機會，他們最後耗用了45分鐘，失敗了3次。
在他們轟炸小倉市3度失敗之後，機體燃料所剩無幾，而B-29「博克斯卡」未經修理的燃料系統在後備燃料的替補方面出現異常。而且當時小倉市的天氣每況愈下，日軍的高射砲正在對準他們進行激烈的對空攻擊，再者，他們確認了日軍緊急派出了10架零式戰機應戰，於是他們在上午10時30分離開小倉市上空，並轉向次要目標長崎市。
到達長崎市的氣象偵測機B-29「被束缚的龙」開始向總部報告：「長崎市的高空天氣晴朗，但是雲霧開始慢慢增加」，再經過一段時間之後，長崎市的上空也被濃密的雲遮掩住。
B-29「博克斯卡」在離開小倉市的20分鐘之後，開始往長崎縣的上空侵襲，在上午10時50分許，B-29「博克斯卡」接近長崎市上空的時候，80%到90%的積雲覆蓋了1,800公尺至2,400公尺的高空[8]。
他們採用了輔助性質的AN/APQ-7雷達，並嘗試循西北方接近他們原定的瞄準目標：長崎市內城區中心上空。斯維尼少校打算在這種不能進行目視轟炸的情況之下在太平洋將原子彈投放，而兵器組的阿什沃思海軍中校督促過斯維尼少校必須「利用雷達系統進行轟炸」[9]。
斯維尼少校打算違反命令，單靠雷達系統瞄準並進行轟炸而將瞄準的目標偏向原定目標的北方的時候，他們開始可以循著雲隙窺探得到長崎市的街道。高空轟炸人員毗漢陸軍上尉於是大聲叫喊：
| “ | 我們看到街道了！
發現攻擊目標！在雲隙之中找到次要目標了！ |
” |
斯維尼少校將自動控制機體移動的任務交給毗漢上尉，他們隨機選定了以工業區作為瞄準目標，在9,000公尺的高空將Mk-3型的原子彈胖子用手動操作投下。胖子沿著假想的拋物線落下，在大約1分鐘之後（即是上午11時02分）在距離長崎市內城區中心3,000公尺的別墅網球場（松山町171區）503公尺的高空爆炸[10]。
當初原定的目標是在內城區中心的中島川常盤橋，如果原子彈照原定目標爆炸的話，在史實上爆炸的中心地區就在原定受害區域的較北端。
B-29「博克斯卡」在投下原子彈之後為了避開衝擊波而向東北方轉向155度並俯衝，從投彈到爆炸之間的一段時間，測量機體B-29「大藝術家」將3個測量氣壓、氣溫等的無線電高空測候器連降落傘投下來[11]。這些無線電高空測候器在原子彈爆炸之後，向東飄落，在大約正午時分在戶石村（距離爆炸中心區11.6公里）、田結村（距離爆炸中心區12.5公里）以及江之浦村（距離爆炸中心區13.3公里）降落著地[12]。這些無線電高空測候器收藏著廣島原爆計劃與美軍同行的物理學家路易斯·阿尔瓦雷茨想交給在當時身在東京帝國大學並在當地任教的舊友：物理學家嵯峨根遼吉的信紙，大概內容是阿尔瓦雷茨想讓清楚原子彈破壞力的嵯峨根勸諫日本政府向盟軍投降[13]。
B-29「博克斯卡」與B-29「大藝術家」在長崎市的上空盤旋並確認長崎市的受害狀況，並向天寧島的基地傳送關於這一次核攻擊的報告。
| “ | 在視野範圍之內成功轟炸長崎市。當地沒有派出戰機作出防禦，更加沒有針對航空隊的防空炮火。結果可以說是面臨「技術上的成功」，不過根據其他的要素，我們必須在作出下一次行動之前作出會議。在長崎市的轟炸在表面上的效果與在廣島市的一樣，鑑於炸彈空投機體出現故障，我們有前往沖繩的必要，因為剩餘的燃料只容許我們在沖繩停泊。[14] | ” |
這段時間原子彈爆炸的始末就被記錄成16mm彩色膠卷的3分鐘50秒長的影像。在這段影像所出現的是在爆炸的一刻清楚地見到火球自蘑菇雲之上噴出。而記錄了廣島市發生的原子彈爆炸的影像因為膠卷沖洗方面的失敗並沒有保存下來。所以這段長崎市原子彈爆炸的影像就成為了現存惟一可以播放的描述實戰原子彈爆炸的影像。而這篇影像在1980年被日本接收，到現在影像還可以在電視節目之中使用。
B-29「博克斯卡」在完成任務並離開長崎市上空的時候還剩下大約1,000公升的燃料，斯維尼少校經過計算得出，他不能夠飛行80公里—120公里的航程到沖繩。斯維尼少校將引擎關掉，以一面轉彎一面降落的方法節省燃料，於下午2時在沖繩縣讀谷機場緊急著陸[15]，據說在他著陸後戰機只剩下26公升的燃料。在著陸後，他與空襲東京而馳名的美國第八陸軍司令吉米·杜立德中將展開會談。B-29「博克斯卡」與B-29「大藝術家」完成燃料補給、裝備整理後，於下午5時離開沖繩，最後在下午11時06分成功返回天寧島的基地覆命。
原子彈在浦上地區的中央爆炸，在該區造成嚴重的毀滅。幸而因為長崎市四面環山，尚有如金毘羅山等眾多的山脈遮蔽，所以除了不受遮蔽的灣岸地區以外，受損較輕微。加上投彈位置離市中心相距約三公里，所以受害程度得以減輕。如果長崎市四面都是平原，長崎市所受到的破壞將會不計其數[16]。 另外，當中也有在廣島核爆受難的民眾，被疏散到長崎投靠親友而難逃此劫；或是因出差等原因造訪廣島而受難的民眾，原來在長崎的家也因核彈遭殃等等，所謂「雙重受難」特別不幸的事例，例如山口彊（1916－2010）。
浦上地區被轟炸的慘狀，與廣島市不相上下。距離原爆點僅約500公尺的浦上天主堂，轟炸當天聚集參加聖母升天節慶祝彌撒的神父與信徒們，由於爆炸所伴隨的熱輻射、以及隨之而來塌陷崩解的瓦礫，所有人當場死亡。在長崎醫科大學裡，看病及住院的病患與醫護人員們，大部份都当场死亡。在長崎市內收容戰俘的設施中，據說也造成了聯軍士兵（主要是英軍與荷軍）大量的傷亡。當時為台灣日治時期的臺灣，也有許多在長崎居住的留學生、醫師、家屬因原子彈轟炸造成死傷，王文其、陳新賜等臺灣倖存者直到2012年才拿到日本政府的補償金[17]。
截至2020年，長崎原爆死難者總計人數為18萬5982人[18]。
在藥品與醫療器材不足的情形下，倖存下來的醫生及護理人員展開救援行動。原爆對事前制訂的醫療救護體制造成嚴重打擊，因而無法對傷者進行有效的緊急處理。在這種混亂的情形下，運輸省的四輛救護列車在爆炸3小時後，接近仍是熊熊大火的爆炸中心，將許多的傷患送往沿線各醫院。傍晚時分，附近的醫院組織救護隊前往救援，長崎縣所屬的警防團也在夜間組織救護隊前往進行救援活動，並請求當地及附近其他縣的警察派遣救難隊。
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年諾貝爾化學獎得主下村脩也是長崎原爆受害者，他在諾貝爾頒獎典禮中說：
| “ | 即便為了加速結束戰爭而向廣島投放原子彈可以算正當的理由，三天後將炸彈投向長崎，就明顯是在試驗新武器了，這種做法是沒有正當性的。[19] | ” |
此說也獲得洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Bette Korber（生物學家）、Gary Doolen（物理學家）背書，他們指稱「向蘇聯展示軍力」才是決策長崎原爆的首因。
但是也有軍事歷史學家認為，沖繩島戰役是直接導致對廣島和長崎使用原子彈的原因，並以此為手段的避免對日本本土實施地面入侵。其中一個持有這種突出的看法是維克托·戴維斯·漢森，他認為，因為沖繩戰役造成了數萬名美國人士兵的傷亡，當時的日本領導人還發誓他們將戰鬥到最後一刻，時任美國總統杜魯門因此想用原子彈來避免入侵日本本土。[20]實際上在廣島遭受核彈轟炸後，日本高層對於是否投降仍存有歧見[21]，直到長崎遭受核彈轟炸後6天，日本才終於宣布無條件投降。
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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