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孙铭九率领少帅的警卫营连同200名东北军士兵分乘四辆卡车，于12月12日凌晨3点驶向郊外的临潼。5点半钟，汽车驶到临潼华清池蒋介石驻地门前，孙铭九劝说蒋介石的警卫打开大门，遭到拒绝，孙便下令硬冲，蒋介石的卫士大惊失色，双方进行了一场短兵相接的战斗。交战中，蒋的大部分卫士被杀。孙铭九带人冲进蒋介石的卧室，发现蒋已逃跑，他下令仔细搜索。从卧室一直搜到后院白雪覆盖的假山，他们两次搜山，结果都没发现蒋介石的行踪。直到上午9点，他们才发现蒋介石的贴身警卫，然后找到了蒋介石。他蜷缩在一块巨大岩石下的山夹缝里，赤着双脚，贴身睡衣外面只披了一件宽大的长袍，在早晨的严寒中簌簌发抖。孙铭九立刻跑到他跟前，说道：“委员长，奉张副司令的命令，我们到这里接您回城。”蒋介石的第一句话是：“如果你是我的同志，就开枪把我打死，我要死在这里。”孙铭九回答：“这不是东北军的叛乱，我们只是要拥护领袖抗战打日本。”[7]
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蒋介石连吓带怕，且又疲于奔命，此时已精疲力尽，况且在逃命时受到的体伤现在也剧烈疼痛起来。[8]于是，孙铭九把他背在背上，慢慢地沿着山坡走下山来，遇到其他东北军士兵，一同簇拥着蒋介石返回。蒋表示希望回到自己房间去，但人们告诉他，他的房间在交火中受到破坏，还是回到城里去为好，那里更舒适，也更安全。
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他们钻进停在山脚下的一辆汽车里，驶回西安。一路上，蒋介石坐在孙铭九和谭海的中间，一言不发，甚至拒绝他们给他披上一件大衣。
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在汽车里，孙铭九对蒋介石说：“过去的事就算过去了，从现在起，中国必须有一个新的政策。您打算怎么办？……抗日是中国的紧迫任务，这是我们东北军将士的一致要求。您为什么不打日本，反而下令要我们打红军呢？”[9]蒋介石坚定地回答：“我是中国人民的领袖，我代表国家，我认为我的政策是正确的，不是错误的……我是一个革命者，随时准备牺牲我自己，我决不会改变我的观点，即使你们把我关进监狱，我的精神也决不会向任何人投降。”[10]
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华清池五间厅。蒋介石在西安期间住在此处。
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进入西安城里，蒋介石注意到街上的所有军队都是杨虎城的十七路军，他怀疑东北军已经解除了十七路军的武装，穿上了他们的军服，以便欺骗人民。当汽车直接驶到“新城大楼”杨虎城的司令部时，他更是如坠五里雾中，困惑不解。他认为，杨虎城的十七路军与张学良的军阀队伍不同，杨本人早年投入国民革命，具有长期的革命传统，是不会与东北军一起背叛他的。[11]然而汽车却一直驶进杨虎城的“新城大楼”，也是张、杨联合行动的总指挥部，蒋介石被软禁在那里。
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当孙铭九前去逮捕蒋介石的时候，杨虎城的部队攻入西安宾馆，逮捕了蒋介石的随行人员。这些随同蒋介石抵达西安的南京大员们大部分都被拘禁在西安宾馆。美国作家阿格尼丝•史沫特莱当时也住在这个宾馆里，她生动地描写了这些被关在宾馆里的军政大员们的情形。[12]被拘禁的高级军政大员一共有12人，其中有军政部副部长陈诚、内政部长蒋作宾、豫皖赣边区剿共司令陈继承、军事参议院院长陈调元、西北剿共战区司令卫立煌、保定军事学院前院长蒋方震、新任西北剿共司令蒋鼎文、甘肃绥靖公署主任朱绍良、第二十九军军长万耀煌。在起初的混乱之中，党史编辑委员会主席、立法院前任副院长邵元冲在越窗逃跑时被子弹击中，后来死在医院里。[13]
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1936年底，“西安事变”前夕，陈诚等国民党要员随蒋介石赴西安，入住西京招待所，准备发动对红军的“最后五分钟”总攻。“西安事变”时，全员被扣于西安金家巷仁寿里五号。事件和平解决后，被扣留的国民党军政大员及其家属合影。右起：蒋作宾、陈诚、陈调元、陈继承、朱绍良、陈继承夫人、蒋鼎文、万耀煌夫人、卫立煌、万耀煌、龚道明等。
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张学良和杨虎城不仅下令扣留了蒋介石和随蒋介石来西安的军政大员，也把调来西安准备进攻红军的战斗机全部扣留。
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西安所有南京任命的重要军政官员也被拘禁起来，其中包括陕西省主席邵力子、民政厅厅长彭绍贤、教育厅厅长周学昌、“剿总”参谋长晏道刚、西北剿共司令部政训处长曾扩情。与此同时，城内重要据点如国民党省党部、铁路和电报大楼等都被占领，公安局被包围，空军几百名飞行员、技术员和地勤人员以及国民政府的50架飞机被俘获。[14]12月12日凌晨，两个小时之内，西安完全控制在东北军和西北军手中。[15]
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就在俘获蒋介石以后，张学良和杨虎城联名向全国、向国民党中央执委会，向各省当局、新闻机构发布通电，电文如下：
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东北沦亡，时逾五载，国权凌夷，疆土日蹙。淞沪协定屈辱于前，[16]塘沽[17]、何梅协定[18]继之于后，凡属国人，无不痛心。
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近来国际形势豹变，相互勾结，以我国家民族为牺牲。[19]绥东战起，群情鼎沸，士气激昂。
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应此时机，我中枢领袖，应如何激励军民，发动全国之整个抗战！且前方之守土将士浴血杀敌，后方之外交当局仍力谋妥协。
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自上海爱国冤狱爆发，世界震惊，举国痛心，爱国获罪，令人发指。
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蒋委员长介公受群小包围，弃绝民众，误国咎深。学良等涕泣进谏，屡遭重斥，日昨西安学生举行救国运动，竟嗾使警察枪杀爱国幼童，稍具人心，孰忍出此。学良等多年袍泽，不忍坐视，因对介公为最后之诤谏，保其安全，促其反省，西北军民，一致主张如下：
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