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原子彈的爆炸原理基於核分裂連鎖反應。當一個中子撞擊鈾-235這樣的重原子核時，原子核會分裂成兩個較輕的原子核，同時釋放出巨大的能量和額外的中子。這些新產生的中子可以繼續撞擊其他原子核，引發更多的分裂反應。
連鎖反應的關鍵在於臨界質量。當裂變材料的數量達到臨界質量時，每次核分裂產生的中子都能引發更多的分裂反應。反應會呈指數級增長：第一代分裂產生第二代，第二代產生第四代，以此類推。在極短的時間內，大量原子核同時分裂，釋放出巨大的能量。
原子彈巨大威力的科學基礎是愛因斯坦的質能方程式 E等於mc平方。在核分裂過程中，分裂後的產物總質量會比原來的重原子核質量稍微減少，這個質量虧損會根據質能方程式轉化為能量。由於光速的平方是一個極大的數字，即使很小的質量虧損也會產生巨大的能量。
原子彈的結構設計非常精密。外層是常規炸藥，中間是裂變材料如鈾-235或鈽-239，中心有中子源。當常規炸藥同時引爆時，會產生向內的衝擊波，將裂變材料快速壓縮到超臨界狀態。這種內爆式設計確保裂變材料能在極短時間內達到足夠的密度，引發失控的連鎖反應。
原子彈爆炸會產生多重破壞效應。首先是巨大的火球，溫度可達數百萬度。接著產生強烈的衝擊波，以超音速向外擴散，摧毀建築物和生命。同時釋放致命的核輻射，對生物造成長期傷害。爆炸還會形成標誌性的蘑菇雲，將放射性物質帶到高空並擴散到廣大區域。這些綜合效應使原子彈成為人類歷史上最具破壞力的武器。