В Советском Союзе проблемами атомной физикой интенсивно занимались в Радиевом институте и в первом Физтехе (оба в Ленинграде), а также в Харьковском физико-техническом институте и Институте химической физики в Москве. АН СССР проводила конференции по ядерной физике, в которых принимали участие отечественные и иностранные исследователи, работавшие в этой области, а также в других смежных дисциплинах. Авторитетом в этой области считался академик В. Г. Хлопин. Серьёзный вклад внесли также Г. А. Гамов, И. В. Курчатов и Л. В. Мысовский, создатели первого в Европе циклотрона, а также основатель Института химической физики Н. Н. Семенов. Ф. Ф. Лаеге создал первый советский проект атомной бомбы в 1940 году. Данные проекты курировал Председатель СНК В. М. Молотов. С начала войны внимание и финансирования на эти проблемы уменьшилось.
Широкий интерес физиков к явлению радиоактивности оказался кстати. Учитывая, что процесс радиоактивности сопровождается выделением большего количества энергии, родилась идея создания ядерного оружия. Анализируя процессы, происходящие при распаде ядра, замечено три типа радиоактивности: альфа, бета и гамма. При бомбардировке тяжелого атома нейтронами происходит расщепление его на два или более мелких ядер и других частиц (нейтронов и фотонов), далее может возникнуть цепная реакция. Атом урана 235 наиболее вероятно может быть разделен на ксенон и стронций с двумя нейтронами и высвобождением энергии, или криптон и барий и тремя нейтронами, также с высвобождением энергии. Нейтроны, возникшие в результате расщепления, могут провоцировать цепную реакцию.
Главным объектом исследования физиков и химиков стало расщепления ядер тяжелых элементов, в первую очередь урана, с помощью нейтронов, безо всякой квантовой физики, методом проб и ошибок, как можно быстрее добиться результата. Первыми за это взялись немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман, которые в декабре 1938 года впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана. В след за ними от ученых Гамбургского университета поступило письмо в высшее военное руководство Германии, за подписью профессора Пауля Хартека и доктора В. Грота. В письме указывалось на принципиальную возможность создания нового вида высокоэффективного взрывчатого вещества, а также отмечалось: «Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретет абсолютное превосходство над другими». Сразу же имперское министерство науки и образования проводит совещание на тему «О самостоятельно распространяющейся (то есть цепной) ядерной реакции». Среди участников профессор Винфрид Отто Шуман, руководитель исследовательского отдела Управления вооружений Третьего рейха. Уже в июне 1939 года началось сооружение первой в Германии реакторной установки, а также принят закон о запрете вывоза урана за пределы Германии, и в Бельгийском Конго срочно закупили большое количество урановой руды. В 1939 году французский физик Фредерик Жолио-Кюри запатентовал первую в мире ядерную бомбу, которую он разработал вместе со своей супругой, исповедуя сугубо научный интерес.
С 1 сентября 1939 года началась Вторая мировая война, в которой приняли участие 62 государства из 73 существовавших на тот момент (80% населения Земного шара). Она продлилась до 2 сентября 1945 года.
26 сентября 1939 года принято решение засекретить все работы, имеющие отношение к урановой проблеме. К участию в проекте были привлечены 22 организации, в том числе такие известные научные центры, как Физический институт Общества Кайзера Вильгельма, Институт физической химии Гамбургского университета, Физический институт Высшей технической школы в Берлине, Физико-химический институт Лейпцигского университета и многие другие. В работах непосредственно участвовали такие маститые ученые, как Вернер Гейзенберг, Карл Фридрих фон Вайцзеккер, Манфред фон Арденне, Николас Риль, Рудольф Хайнц Позе, нобелевский лауреат Густав Герц и другие. Проект курировал лично имперский министр вооружений Альберт Шпеер. Ученые, задействованные в нацистской программе «Урановый проект», считали возможным создание ядерного оружия в течение года, но они ошиблись.
В течение двух лет группа Гейзенберга провела исследования, необходимые для создания атомного реактора с использованием урана и тяжелой воды. Было подтверждено, что взрывчатым веществом может служить лишь один из изотопов, а именно – уран-235, содержащийся всего 1% от всего природного урана. Одной из проблем было обогащение урана. Другой проблемой программы создания бомбы был атомный реактор, для которого – в качестве замедлителя реакции – требовался графит либо тяжелая вода. Немецкие физики выбрали воду, создав себе тем самым серьезную проблему. Оккупировав Норвегию, у которой был единственный в мире завод по производству тяжелой воды, но французы тут же вывезли всю продукцию, а англичане вывели завод из строя. В Лейпциге взорвался опытный ядерный реактор.
Однако в начале 1945 года Гейзенберг имел все необходимое для монтажа новой большой реакторной установки, которая была развернута в конце февраля. Реактор содержал 664 кубика урана общим весом 1525 кг, окруженных графитовым замедлителем-отражателем нейтронов весом 10 т, кроме того в активную зону дополнительно влили 1,5 т тяжелой воды. 23 марта в Берлин доложили, что реактор заработал, но реактор не достиг критической точки, цепная реакция не пошла. Было недостаточно урана и тяжелой воды. 23 апреля в Хайгерлох вошли американские войска. Реактор был демонтирован и вывезен в США.
С небольшим отставанием шла разработка ядерного оружия в США и Англии. 16 марта 1939 года организовали встречу Джорджа Пеграм, Лео Силард, Энрико Ферми и Юджин Вигнер. Ученые договорились держать свои исследования в секрете, а также о необходимости связаться с правительством США и военным командованием, чтобы получить финансирование. 18 марта Ферми проинформировал власть о возможности применения атомной энергии в военных целях. Однако власти не проявили заинтересованности возможно из-за того, что Ферми довольно осторожно описал возможности, а также потому, что на беседе не присутствовало высокое командование.
Поговорив с приятелем Вигнеров, а также с Силордом 2 августа 1939 года, Эйнштейн подписал письмо президенту США Рузвельту, в котором рассказывалось о прогрессе физической науки в исследованиях цепных ядерных реакций, на ее основе возможности создания мощной бомбы нового типа, и просил сформировать комиссию из физиков, работающих в этой области и представителей правительства, т. к. Германия также ведет работы в этом направлении. В октябре Рузвельт создал комиссию. Сразу же от вооруженных сил США были выделены необходимые средства на секретные исследования цепных реакций. Кроме того Рузвельт создал «Национальный совет по оборонным исследованиям (NDRC)» и в его составе – «Урановый комитет» (UC), в который вначале вошли только ученые, имеющие гражданство США. Главой Уранового комитета Рузвельт назначил Лаймана Бриггса из Национального бюро стандартов. Позднее привлекались известные ученые прибывшие из других стран, но к иностранным ученым относились с большим подозрением: среди них могли оказаться шпионы. Руководителями групп по исследованию урана назначались только граждане США. Несмотря на итальянское происхождение Ферми, заслужив доверие методолога и организатора научных исследований и научного сообщества Вэнивера Буша, назначен руководителем ядерного реактора в Чикаго.
Ключевой проблемой создания реактора была урановая руда. Расщепляемым был уран-235, составляющий 07%, природный уран-238 составляет 99,03%, естественной оказалась проблема обогащения урана. Получением необходимого количества материалов занимался Силард, а Ферми проектировал ураново-графитовый ядерный реактор, пытаясь найти наилучший вариант их размещения и соотношения, чтобы получить самоподдерживающую цепную реакцию. К этому времени было известно, что чем больше размеры реактора, тем лучше протекает диффузия нейтронов. В 1941 году с трудом получено большое количество минералов урана и чистого графита. В июне 1942 года Рузвельт совместно с армейскими руководителями и управлением научных исследований начал непосредственную работу по созданию атомной бомбы. В августе эта программа была названа «Манхеттен проект», а Ферми получил пост руководителя теоретического отдела проекта. Общее руководство проектом осуществлял Джулиус Роберт Оппенгеймер.
