נשק הביקוע הראשון כונה פצצת אטום, ופותח על ידי ארצות הברית וצוות בינלאומי במהלך מלחמת העולם השנייה במסגרת פרויקט מנהטן. ברית המועצות החלה בפיתוח עצמאי מעט מאוחר יותר. זמן לא רב אחר כך, פיתחו שתי המדינות פצצות מימן - נשק היתוך הרסני אף יותר. במהלך המלחמה הקרה צברה כל אחת משתי המדינות כמויות אדירות של נשק גרעיני. לכל אחת מהמדינות היו טילים שיכלו לפגוע במטרות בכל מקום בעולם. כיום ישנן לפחות תשע מדינות בעלות נשק גרעיני. הדיונים הבינלאומיים בנושא מתמקדים כיום באיום שבלוחמה גרעינית ובהתפשטות נשק גרעיני למדינות נוספות או קבוצות.
עד היום התרחשו לפחות ארבע התרעות שווא, המאוחרת ביותר בשנת 1995, שבעטיין כמעט ניצתה מלחמה גרעינית בין ארצות הברית לרוסיה.
פיזיקה ופוליטיקה בשנות ה-30 של המאה ה-20.
בעשורים הראשונים של המאה ה-20, עבר המחקר הפיזיקלי מהפכות שנגעו להבנת טבע האטום. בשנת 1898 גילו הפיזיקאים הצרפתיים פייר קירי ומארי קירי שבתוך עפרת האורניום קיים חומר בעל רמה רדיואקטיביות גבוהה, המכונה רדיום. הדבר הפיח תקווה בלבם כי היסודות בטבע עשויים להכיל כמויות עצומות של אנרגיה חבויה.
ניסויים שבוצעו על ידי ארנסט רתרפורד בשנת 1911 העלו כי רוב המסה האטומית אצורה בגרעין האטום, העשוי מפרוטונים ומוקף באלקטרונים. בשנת 1932 גילה ג'יימס צ'דוויק שהגרעין כולל חלקיק נוסף, המכונה נייטרון. באותה שנה ממש ביקעו ג'ון קוקרופט וארנסט רתרפורד את האטום בפעם הראשונה בהיסטוריה. לראשונה שונה בהצלחה הגרעין האטומי של יסוד לגרעין שונה, באמצעים מלאכותיים.
בשנת 1934 גילו הפיזיקאים הצרפתיים אירן קירי ופרדריק ז'וליו-קירי שרדיואקטיביות מלאכותית יכולה להיווצר ביסודות יציבים על ידי הפצצתם בחלקיקי אלפא. באותה שנה דיווח הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי על תוצאות דומות בעת הפצצת אורניום בנייטרונים.
בשנת 1938 פרסמו הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן את ממצאיהם והוכיחו שמה שראה פרמי בשנת 1934 היה למעשה ביקוע גרעין האורניום: ביקוע גרעיני. מעתה ואילך היו רוב הפיתוח והמחקר שהביאו ליצירת הנשק הגרעיני נעשים על ידי מדענים יהודים, בני ארצות שונות. זמן קצר לאחר שפרסמו אוטו האן ופריץ את ממצאיהם, תיארה הפיזיקאית היהודיה ליזה מייטנר ואוטו רוברט פריש את המנגנונים התאורטיים של ביקוע הגרעין וחשפו את העובדה שכמויות אנרגיה קושרת רבות שוחררו בזמן התהליך. ההונגרי לאו סילארד אישר באמצעות ניסוייו שלא רק אנרגיה השתחררה בתהליך אלא גם נייטרונים. בכך גברה ההיתכנות לתגובת שרשרת גרעינית, שבה כל ביקוע גורר שני ביקועים נוספים או יותר, וכמות האנרגיה המשתחררת גדלה מעריכית.
בעוד הצבא הנאצי צועד לתוך צ'כוסלובקיה בשנת 1938 ואז לפולין בשנת 1939, החלו רבים מהפיזיקאים המפורסמים לעזוב את אירופה מחשש העימות המתקרב, בהם שלושת הפיזיקאים נילס בוהר, אנריקו פרמי ואלברט איינשטיין, שהובילו לפיתוח הנשק הגרעיני בארצות הברית. המדענים משני צידי המתרס היו מודעים היטב לאפשרות יישום הידע בתחום הביקוע הגרעיני בפיתוח נשק בעל עוצמה חסרת תקדים, אולם באותה תקופה לא היה איש בטוח כיצד ניתן לעשות זאת. בראשית מלחמת העולם השנייה, חדלו הפיזיקאים לפרסם מאמרים בנושא הביקוע, כצעד של צנזורה עצמית בניסיון למנוע מהיריב להשיג יתרון.
ארצות הברית: פרויקט מנהטן.
בתחילת מלחמת העולם השנייה, גבר החשש בקרב המדענים של בעלות הברית שלגרמניה הנאצית פרויקט גרעין עצמאי לפיתוח נשק מבוסס טכנולוגית ביקוע. מחקר בתחום הנשק הגרעיני החל בבריטניה כחלק מפרויקט "סגסוגות צינור" . בארצות הברית הוקצה כבר בשנת 1939 תקציב זעום למחקר בנושא נשק מבוסס אורניום אשר הובל על ידי ועדת האורניום בהנחיית לימן ג'יימס בריגס. בעצתם של מדענים בריטיים, אשר ביצעו חישובים המעידים שניתן יהיה להשלים פיתוח של נשק ביקוע תוך שנים ספורות, עבר הפרויקט בשנת 1942 לניהולו של הגנרל לסלי גרובס וכונה פרויקט מנהטן. בהנחייתו המדעית של הפיזיקאי האמריקני היהודי רוברט אופנהיימר, חיבר הפרויקט בין המוחות המדעיים המבריקים של התקופה (רבים מהם גולים מאירופה) לבין כוח הייצור של התעשייה האמריקנית במטרה לייצר התקני נפץ מבוססי טכנולוגיית ביקוע לפני שיצליחו לעשות זאת הנאצים. בריטניה וארצות הברית הסכימו לשתף מידע ומשאבים למטרת הפרויקט אולם בעלת הברית הנוספת, ברית המועצות, לא שותפה בנושא.
היקף הפרויקט, הן מבחינה מדעית והן מבחינה תעשייתית, היה אדיר. ארצות הברית השקיעה משאבים חסרי תקדים במחקר ובהקמת מפעלי ייצור במסגרת הפרויקט, אשר הקיף יותר מ-30 אתרים בתוך ארצות הברית ובקנדה. מוקד הידע המדעי נשמר במעבדה סודית בלוס אלמוס שבניו מקסיקו, ובמעבדה המטלורגית באוניברסיטת שיקגו.
האורניום מופיע בטבע כשני סוגים של איזוטופים: אורניום-238 וכן אורניום-235. כאשר הגרעין של אורניום-235 סופח נייטרון, הוא עובר ביקוע גרעיני ומתפצל לשני "תוצרי ביקוע", תוך שחרור אנרגיה ו-2.5 נייטרונים בממוצע. מאידך, אורניום-238 סופח נייטרונים ואינו מתבקע, וכך נעצרת כל תגובת ביקוע קיימת. הסתבר שפצצה גרעינית מבוססת אורניום חייבת להיות מיוצרת מאורניום-235 טהור כמעט לחלוטין (לפחות 80% טהור), שכן אם לא כן הרי שנוכחות האורניום-238 תקצר את תגובת השרשרת הגרעינית. קבוצת המדענים אשר שקדה על פרויקט מנהטן הבינה מיד שהבעיה הגדולה ביותר תהיה למצוא שיטה להפרדת אורניום-235 מעפרות אורניום טבעי אשר הורכבו מ-99.3% אורניום-238 (שאינו בקיע) ורק מ-0.7% אורניום-235, שהוא החומר הבקיע. שלוש שיטות להפרדת איזוטופים פותחו במהלך הפרויקט: שיטה אלקטרומגנטית, דיפוזיה גזית ודיפוזיה תרמית. שלוש השיטות הפרידו איזוטופים תוך ניצול העובדה שמסתו האטומית של האורניום-238 מעט גדולה יותר מזו של אורניום-235. אתר ענק הוקם באוק רידג' שבטנסי, במטרה להפיק אורניום-235 טהור בהיקף גדול. הייתה זו השקעה אדירה: לדוגמה, מפעל הדיפוזיה הגזית באוק רידג', שכונה K-25, היה המבנה הגדול ביותר בעולם באותה עת. האתר באוק רידג' העסיק עשרות אלפי אנשים בשיאו. לרובם ככולם לא היה מושג כלל מה הייתה מטרת עבודתם.
אף כי אורניום-238 אינו יכול לשמש בפצצה גרעינית, אם הוא סופח נייטרון הוא הופך ראשית ליסוד לא יציב, אורניום-239, ואז דועך למצב של נפטוניום-239 ולבסוף לפלוטוניום-239 שהוא יסוד יציב יחסית שאינו קיים בטבע. הפלוטוניום בקיע ויכול לשמש ליצירת תגובת ביקוע. אנריקו פרמי הראה שניתן להגיע לתגובת שרשרת גרעינית רצופה ומבוקרת בכך שיצר את ה"ערימה הגרעינית" - כור גרעיני ראשוני - באוניברסיטת שיקגו. כורים אדירי ממדים, להמרת אורניום-238 לפלוטוניום, נבנו בחשאי באתר הנפורד במדינת וושינגטון, תוך שימוש במימי נהר קולומביה לקירור.
על מנת שנשק מבוסס טכנולוגיית ביקוע יפעל כהלכה, דרושה מסה קריטית של חומר בקיע שיופצץ בנייטרונים בכל זמן נתון. ההתגלמות הפשוטה ביותר של נשק גרעיני יכולה להיות נשק ביקוע בתצורת מנגנון ירי, שבו מסה תת-קריטית של חומר בקיע (כאורניום-235) נורית לעבר מסה תת-קריטית של חומר בקיע נוסף. התוצאה היא מסה סופר קריטית, שאם תופצץ בנייטרונים, תעבור תהליך ביקוע בקצב מהיר ותיצור את הפיצוץ הרצוי.
עד מהרה הסתבר שפלוטוניום לא יכול לשמש ב"תצורת מנגנון ירי", שכן הוא בעל רמת קרינת נייטרונים גבוהה מדי, כלומר בעל רמת ביקוע ספונטני גבוהה מדי. אילו שימש הפלוטוניום ב"תצורת מנגנון ירי", תגובת השרשרת הייתה מתחילה להתרחש בחלקיקי השניות עוד טרם היווצרות המסה הקריטית, והייתה מפוצצת את רכיבי הנשק לחלקים לפני שיכול היה לעשות את פעולתו. לאחר שנואשו, ניסו המדענים בלוס אלמוס גישה נוספת: שימוש בחומרי נפץ כימיים מדויקים על מנת לפוצץ כלפי פנים כדור תת-קריטי של פלוטוניום, כך שתוגדל עוצמתו ויהפוך למסה קריטית. תכנון זה כונה נשק ביקוע בתצורת מנגנון קריסה. הקשיים בפיצוץ כלפי פנים היו טמונים בבעיית הכפייה על חומרי הנפץ הכימיים להעביר גל הדף אחיד לחלוטין אל ליבת כדור הפלוטוניום, כי אם לא כן, היה חומר הנפץ נפלט אל מחוץ לגוף הפצצה, משבש את התהליך וגורם לפצצה מלוכלכת בלבד. בעיה זו נפתרה על ידי שימוש ב"עדשות" הידרודינמיות - חומרים נפיצים בצפיפויות שונות - אשר ממקדות את גלי ההדף באופן מדויק בתוך הכדור המתפוצץ כלפי פנים, בדומה לאופן שבו עדשה אופטית ממקדת קרני אור.
לאחר הפלישה לנורמנדי הורה הגנרל גרובס לקבוצת מדענים ממשימת אלסוס לנוע מזרחה בעקבות חיילי בעלות הברית, בניסיון להעריך את מצב תוכנית הגרעין הנאצית ולמנוע מחיילים רוסים הנעים מערבה מלהשיג מידע או כוח אדם מדעי. המסקנה הייתה שבעוד שלגרמניה הנאצית הייתה תוכנית פצצה גרעינית, שהובלה על ידי ורנר הייזנברג, המפלגה הנאצית לא השקיעה תקציבים משמעותיים בפרויקט ולא התקרבה כלל למימושו.
כשהגיע מועד כניעתה ללא תנאי של גרמניה ב-8 במאי 1945, היה פרויקט מנהטן רחוק עדיין מסיום. באפריל של אותה שנה, לאחר מות הנשיא פרנקלין רוזוולט, שותף סגן הנשיא הארי טרומן בפרויקט הסודי בפעם הראשונה.
בשל הקשיים שבייצור פצצת פלוטוניום יעילה, הוחלט לבצע ניסוי. טרומן רצה לדעת בוודאות על תוצאות הניסוי לפני פגישתו הצפויה עם יוסיף סטלין בוועידה על אודות עתיד אירופה לאחר המלחמה. ב-16 ביולי 1945, במדבר אלמגורדו שבניו מקסיקו בוצע הניסוי הגרעיני הראשון, אשר כונה "ניסוי טריניטי". עוצמת הפיצוץ בניסוי הייתה 19 קילוטון TNT, הרבה מעבר לעוצמתו של כל כלי נשק אחר שנוסה אי פעם לפני כן. הבשורה על הצלחת הניסוי הועברה לטרומן, אשר עשה בה שימוש כמנוף בוועידת פוטסדאם שהתקיימה ליד ברלין.