През юли 1939 г. Сцилард убедил икономиста Александър Сакс в необходимостта от силна американска инициатива в областта на военните приложения на ядреното делене, за да се противодейства на германските разработки. Сцилард помолил Айнщайн да напише писмо до президента Рузвелт, очертаващо опасностите и възможностите на деленето.

С приноса на Едуард Телер и Юджийн Вигнер писмото е подготвено на 2 август 1939 г. Сакс представил писмото и технически документ на Сцилард пред Рузвелт на 11 октомври 1939 г., и президентът незабавно създал Консултативен комитет по урана (ККУ) под председателството на правителствения учен Лайман Дж. Бригс.

Вдясно: А. Айнщайн и Л. Сцилард през август 1939 г. По-долу: оригиналното писмо на Айнщайн-Сцилард.

Приоритет бе даден на усилията на Ферми в Ню Йорк за постигане на верижна реакция с природен уран и графитен модератор, заедно с изследвания в няколко изследователски лаборатории за разделяне на изотопа ²³⁵U. В Бъркли елементът 94 (плутоний) е открит от Глен Сийборг през февруари 1941 г. и свойствата му на делене са изследвани от него и Емилио Сегре. Употребата му като алтернатива на ²³⁵U се превърнала в важна опция.

През юни 1941 г. Ванивар Буш убедил Рузвелт в необходимостта от участието на учените в отбранителните дейности и в разработването на нови оръжия. Създадена е Службата за научни изследвания и развитие (СНИР), пряко подчинена на президента. ККУ е поставен под контрола на СНИР с новото наименование „Секция S-1". Препоръчано е участието на индустрията в производството на пилотни заводи и е въведен по-строг политически контрол върху изследванията.

Горе: Научните ръководители на проекта S-1: Ърнест О. Лорънс, Артър Х. Комптън, Ванивар Буш, Джеймс Б. Конант, Карл Т. Комптън, Алфред Л. Лумис (Бъркли, 29 март 1940 г.).

На 9 октомври 1941 г. В. Буш представя доклада MAUD, предоставен от британците, пред Рузвелт и вицепрезидента Хенри А. Уолъс. Рузвелт дава на Буш пълни правомощия да проучи дали може да бъде построена бомба и на каква цена с необходимото финансиране от специален президентски резерв. Трябвало да се запази строга тайна и точно да се определят подробностите за сътрудничеството с Великобритания. Това събитие е от първостепенно значение за действителното изграждане на бомбата.

Сътрудничеството имаше своите трудности, породени от страната, която изглеждаше по-напреднала в ядрените изследвания в даден момент. През 1941 г. британците ограничили информацията за американците, а през 1942 г. отказали да включат британски екип в тяхната програма. Проблемите се усложнили от присъствието на френски учени в британския проект и от политиката на патентите. През януари 1943 г. комуникацията е напълно прекъсната. Сътрудничеството е възобновено с трилатералното споразумение от Квебек от 17 август 1943 г. между Канада, Великобритания и САЩ. Великобритания спряла проекта си за бомба и нейните учени се присъединили към американския екип, осигурен е свободен обмен на информация и всяка страна има право на вето върху употребата на бомбата.

След влизането на САЩ във войната през декември 1941 г. американската ядрена програма получила ресурси от най-висок клас, без никакви бюджетни ограничения.

Артър Комптън в Чикаго бил отговорен за постигане на верижна реакция за производство на плутоний, Ърнест Лорънс в Бъркли – за електромагнитното изотопно разделяне на ²³⁵U с помощта на специално проектирани циклотрони. Харолд Юри – за изотопното разделяне с центрофуги и газова дифузия.

Генерал Лесли Гроувс е назначен през септември 1942 г. за военен ръководител на проекта, наречен вече „Манхатънски инженерен окръг" (МИО), и незабавно дава най-висок приоритет на осигуряването на необходимите материали и избира район от около 230 кв. км в Тенеси (Оук Ридж) за изграждане на лаборатории, предназначени за производство на делящи се материали.

Вдясно: Карта на комплекса Оук Ридж, построен за производство на делящи се материали. В рамките на няколко месеца в тази селска местност са построени освен огромни лаборатории, и град с население от 13 000 жители и мрежа от асфалтирани пътища с дължина 500 км. През следващата година градът достигнал 42 000 жители.

Експериментите на Енрико Ферми с по-качествени стекове от природен уран и графит го убедили, че може да се постигне самоподдържаща се верижна реакция. На 16 ноември 1942 г. той започнал изграждането на демонстрационен стек (CP1) в Чикаго, с помощта на Вигнер за теоретичните изчисления.

Първата самоподдържаща се верижна реакция е постигната на 2 декември 1942 г., потвърждавайки възможността за използване на ядреното делене за производство на енергия и създавайки източник на плутоний за бомбата.

CP1 е незабавно демонтиран и материалите са използвани за по-голям стек CP2 в новата лаборатория в гората Аргон близо до Чикаго.

Вляво: Западните трибуни на стадиона Стаг на Чикагския университет, под които е изграден CP1.

Прилагани са два метода за разделяне на уран.

Методът на електромагнитното разделяне се основава на принципа, че заредените обекти се отклоняват при движение в магнитно поле. По-тежките йони ще се отклоняват в по-малка степен от по-леките. Подходящо поставени колектори могат да се възползват от това разделяне.

Методът на дифузия се основава на факта, че по-леките молекули в газ ще имат по-висока средна скорост от по-тежките. Сгъстен газ от уранево съединение се оставя да дифундира през порест прегродник: по-леките молекули ²³⁵U имат по-голям шанс да преминат през отворите (с диаметър от порядъка на микрон). Излизащият газ, леко обогатен с желания изотоп (3 части на 1000), се компресира отново и процесът се повтаря. В завода в Оук Ридж през 1945 г. общата повърхност на разделителната преграда достигнала хиляди квадратни метра и произведен уран, обогатен до 10%.

Горе вдясно: Схема на потока на газа в дифузионна каскада.

За действителното проектиране на бомбата Дж. Робърт Опенхаймер, научен директор на МИО, решил да събере всички необходими учени и технически експерти в нова секретна лаборатория, построена в Лос Аламос, усамотено плато в Ню Мексико, през зимата на 1942–1943 г. През март 1943 г. лабораторията, под отговорността на Калифорнийския университет, започнала основни изследвания за производство на „практическо военно оръжие". Няколко изследователски апарата са прехвърлени от различни места в САЩ: циклотронът на Харвард, два ускорителя Ван де Грааф от Уисконсин, един Колкрофт-Уолтън от Илинойс и др. Населението на Лос Аламос се удвоявало на всеки 9 месеца, достигайки над 5000 души през 1945 г.

Опенхаймер, въпреки военните ограничения, успял да запази стила на научна институция и да направи научната работа удовлетворяваща. Животът там бил труден, но вълнуващ и контактът с опитни учени позволил на младите физици да придобият жизненоважни умения.

Пътят към плутония започва от позволяването на ²³⁸U да поглъща един неутрон в ядрен реактор, работещ с бавни неутрони. След прототипните стекове CP1 и CP2, промишлени компании изградили три големи реактора в нов секретен център в Ханфорд (Вашингтон) и един в Оук Ридж.

В Лос Аламос изследванията на химичните, физичните и металургичните свойства на новия материал продължавали веднага щом плутоният бил доставян – първо в грамови количества, а от пролетта на 1945 г. – в значителни количества, достатъчни за производството на три бомби.

На 3 юли 1945 г. в Лос Аламос бомбата с ²³⁵U, наречена „Малкото момче", е завършена. Делящият се материал е обогатен до 86% за 3 критични маси, всяка от около 60 кг. Нейното взривяване е основано на оръдейната техника, използваща оръдие с дължина 180 см и тегло 453 кг.

„Малкото момче" е с дължина около 3 м и диаметър 70 см, достатъчно малко, за да се побере в бомбоотсека на бомбардировач B-29, и с общо тегло около 4000 кг. Учените имали пълна увереност в работоспособността му и не се смятало за необходимо предварително изпитание.

Плутониевата бомба „Дебелакът" имала плутониево ядро с тегло около 6,1 кг и изисквала взривяване въз основа на техниката на имплозия, за да се избегне предварително взривяване, използвайки около 2300 кг взривни вещества. Ядрото, урановият тампон и взривните вещества са закрепени в метална сфера, направена от дванадесет петоъгълни секции. Оръжието имало стабилизиращи перки и предпазна яйцеобразна външна обвивка с диаметър 150 см. „Дебелакът" е с дължина около 365 см и тежи около 4900 кг.

Снимка: Бомбата „Дебелакът" се подготвя на остров Тиниан в Марианите за доставяне над Нагасаки.

Техниката на имплозия е напълно нова и предварителните частични тестове не давали пълна увереност.

Затова, след като имало достатъчно плутоний, в средата на юли 1945 г. е извършен окончателен тест на цялата бомба в Аламогордо в пустинята на Ню Мексико, на място наречено „Тринити".

Ефективността на оръжието е 17% при мощност 22 кт. Тестът позволил и проверката на редица технически детайли, но основната цел е да се изпита пряко ефектът на ядрен взрив.

Никой от свидетелите на първия ядрен взрив не е бил подготвен за действителното събитие: от първоначалната светкавица и ранната огнена топка без никакъв шум, от безшумната топлина на светлинния импулс, като едновременни силни плесници по двете бузи, до ударната вълна, прехвърляща се по пустинния под, и облака от отломки, образуващ застрашителната гъбовидна форма.

Вдясно: Първоначалната огнена топка на първия ядрен взрив на Земята, 16 юли 1945 г.

Развитието на ядрен взрив и неговите ефекти зависят, освен от неговата мощност, от вида на взрива – въздушен, на голяма височина, наземен, подводен, подземен, и от специфичните метеорологични условия и характера на терена.

Основните явления обаче остават непроменени. Голямата енергия, произведена за краткото време на взрива, нагрява материята до температури от няколко десетки милиони градуса и се постигат налягания, милион пъти по-големи от атмосферното. Огромни количества енергия се излъчват главно като рентгенови лъчи, които се поглъщат от въздуха, което води до образуването на изключително гореща и нажежена маса въздух. Тази огнена топка расте по размер и се издига, намалявайки температурата си. След минута светлинното излъчване спира и облакът се е издигнал на около 7 км височина.

Поредицата от снимки вляво показва първите 4 секунди от развитието на огнената топка на взрива по време на изпитанието „Тринити".

В началото на 1945 г. стало ясно, че съюзниците печелят войната както в Европа, така и в Тихия океан. Редица учени започнали да обсъждат социалните и политическите последици от ядрената енергия и последиците от действителното използване на бомбата. През юни 1945 г. докладът на Джеймс Франк предложил да се предупреди Япония и да се демонстрира мощта на бомбата в незаселена зона, предвид нейните опустошителни ефекти. Научна комисия, съставена от Комптън, Ферми, Лорънс и Опенхаймер, е създадена, за да съветва Временния комитет, и докладвала вижданията на учените.

Въпреки това, след консултация с всички съюзници, е счетено за необходимо пряко военно използване на оръжието, дори ако за в бъдеще е предвидено открито международно сътрудничество за развитие на гражданската ядрена енергетика.

На сутринта на 6 август 1945 г. в 8:15 ч. „Малкото момче" е хвърлено над Хирошима и се взривило на 580 м над града с мощност между 12 и 15 кт. На 9 август 1945 г. в 11:02 ч. „Дебелакът" се взривил на 503 м над Нагасаки; мощността му надхвърлила 22 кт. Двата града са унищожени, с повече от сто хиляди убити и сто хиляди наранени. Япония се предала и Втората световна война приключила. Окончателното решение за хвърляне на бомбата е продиктувано от военни съображения – за избягване на огромни загуби при инвазия на Япония, и политически – за приключване на войната, преди Съветският съюз да може да разшири влиянието си в Тихия океан.

Снимка: Полковник Пол У. Тибетс-младши на своя бомбардировач B-29 „Enola Gay" преди излитането за Хирошима.

След войната започнало проучване на перспективите за гражданска и военна ядрена енергия. Новият американски президент Хари С. Труман създал „Временен комитет", за да реши относно употребата на оръжията и как да се оформи ядрената програма за в бъдеще. Сред решенията, които трябвало да се вземат, е дали да се продължи с международното сътрудничество или да се следва политика на американски монопол.

Но Втората световна война е повратна точка в отношенията между учените и правителствата. Учените не само са изобретили и построили нови оръжия, те активно са ги популяризирали и са участвали в решенията кога и как да се използват, превръщайки се в пълноценни партньори в процеса на вземане на политически решения.

Военният и политически успех на атомната бомба и икономическите перспективи на ядрената енергия дали видимост и власт на научната общност навсякъде. Великобритания, Русия и Франция имали нужда от учени, за да изградят собствените си ядрени арсенали. В САЩ физиците получили значителна финансова подкрепа и успели да спечелят въпреки желанията на военното ведомство – отговорността за контрол върху развитието на ядрената енергия. В САЩ политиката в областта на ядрената енергия е делегирана на Комисията по атомна енергия – орган под гражданско ръководство.