美国的核计划

铀委员会在给罗斯福的第一份报告中指出：由于核研究的军事特别是海军应用，“我们相信这个研究是值得政府给予直接财政支持的。”费米和西拉德等人因此而得到了美国政府的一部分拨款。他们利用这笔资金签订了购买材料的合同，将不断缓慢到来的氧化铀和石墨堆在一起，研究反应堆中材料的排列方式，各种中子吸收、逃离现象，用实验和外延的办法测量、推断和提高反应堆的中子增殖系数。

美国在战争时期制定科研和防务政策的任务主要落在大学校长们的肩上。一方面，这是因为华盛顿的政府办公室里没有人真正深入了解，并能指挥起美国的科学研究；另一方面，军事科研部门缺乏优秀人才。

罗斯福总统看到了这个弱点，他曾在科学家的聚会上讲话，希望科学家能成为保卫美国安全的一支重要力量。美国东海岸的一些大学校长也认为，国家科学院应对战争做一些事情，他们推荐华盛顿卡耐基大学校长布什出面与罗斯福总统商谈有关国防科研的问题。

布什曾是一位电子专家，精通应用数学，曾经担任过麻省理工学院的副院长。布什于1940年6月初与罗斯福总统进行了会谈。6月27日，罗斯福下令成立国家防卫研究委员会，布什担任这个委员会的主席。它的主要任务是在美国科学院和美国政府之间建立联系，使美国的科学研究能在美国政府的支持下，独立地和更有效地为美国的防务服务。布里格斯的铀顾问委员会演变成它的一个下属委员会。布什对它进行了改组，把这个委员会的两名军事成员换成了5名科学家，强化了美国的核研究计划。仅哥伦比亚大学的核研究在1940年1.1月就得到了4万美元的额外支持，材料的供应也得到了明显的改善。

美国国家防卫研究委员会成立后，实际上只控制了与国家科学院有关的研究人员。当时军队拥有另两个平行机构：军事服务实验室和国家航空顾问委员会。为了将所有的科研能力统一起来，更有效地为战争服务，在布什的提议下，罗斯福总统于1941年6月28日下令成立政府科学研究发展办公室，布什被委派为这个办公室的主任，成为美国战时军事科研的最高协调人，原国家防卫研究委员会成为科学研究发展办公室的一个下属机构。布什在核研究方面的主要助手，哈佛大学校长、化学家科南特接任国家防卫研究委员会主席。布里格斯的铀委员会升级为科学研究发展办公室的一个分部，也称S-1委员会。这样，核研究就变成了美国战时几个最重要的军事研究项目之一。

在西拉德、费米等人积极地争取美国政府的支持，以军事应用为最终目的而从事核研究的同时，另一个纯学术研究性质的实验室却在无意中接近了原子弹研究的大门。

在加州大学伯克利分校的辐射实验室，回旋加速器的发明人、诺贝尔物理学奖金获得者劳伦斯，很热心于加速器技术的改进和更大加速器的建造。1940年，他从洛克菲勒基金会获得100多万美元的资助，以建造重达4900吨的回旋加速器。他的一些物理学界的朋友，如麦克米伦和艾贝尔森等人则利用劳伦斯的回旋加速器产生的高能粒子束做各种核实验。

1940年初，麦克米伦和艾贝尔森在实验中发现了玻尔预言过的第94号元素钚-239存在的迹象。钚-239是由铀-238吸收一个中子，并经过两次衰变后产生的，具有24000年的寿命，与铀有着非常不同的化学性质。他们的这一发现在当年6月号的《物理评论》上公开发表。

1941年2月，伯克利的化学家西博格用化学方法正式证实了钚-239的产生，并开始对它的性质进行系统测定。根据玻尔的预言，钚-239也是一种可裂变元素。英国核研究主持人之一的查德威克看到文章后，立即通过外交途径请求美国方面制止更多消息的泄露。1940年12月28日，英国另一名重要核物理学家考克饶夫通过英国驻美科技代表福勒转给劳伦斯一封信，提醒他注意钚的潜在军事应用价值。麦克米伦不久因雷达研究而返回麻省理工学院，在他的建议和劳伦斯的帮助下，费米当年在罗马的同事西格雷接替了麦克米伦，他们在1941年3月就证实了钚-239的可裂变性。

1941年初，美国很多物理学家对布里格斯的铀委员会的工作提出了意见。布什请美国国家科学院院士、芝加哥大学物理系主任康普顿组织一些“有资格判断核研究”的人对核计划作全面的考证。经过与布里格斯委员会成员讨论后，康普顿的委员会于5月17日递交了第一份报告。报告讨论了慢中子的军事用途，包括利用裂变产生放射性污染、反应堆作为潜艇动力，以及由高纯度的铀-235或其他可裂变元素装配原子弹。报告虽然提出了核动力未来的重要性，但对成功的时间特别是同位素的分离持不乐观的估计，没有能够对原子弹在当时战争中的作用提出肯定的建议。

劳伦斯是国家防卫研究委员会雷达小组的成员，在核物理学的朋友，特别是英国朋友的影响下，他对核研究的军事应用兴趣日增。劳伦斯提出把他的37英寸回旋加速器改装成分离铀同位素的质谱仪。1941年3月，他正式要求布什在财政上支持伯克利搞核研究。7月11日，他给康普顿的委员会递交了一份报告，在美国的核研究史上第一次具体地提出了原子弹的构造，“如果有大量的94号元素，快中子也可以产生链式反应，这个反应释放能量的速度将是爆炸性的，因而可视为一种‘超级炸弹’。”

布里格斯的铀委员会和康普顿的两个报告都未能就原子弹问题作出肯定的推荐。与美国相反，这时英国却对原子弹的前景提出了肯定和乐观的建议。它使布什、科南特以及其他一些美国物理学家感到困扰，认为有必要重新考察整个核研究。布什又一次改组了铀委员会，增加了一名重要的核物理学家，他让科南特找劳伦斯和康普顿会谈，希望劳伦斯为核研究做更多的事情，再次请求康普顿组织国家科学院的物理学家，全面考察核研究。

1941年11月6日，康普顿正式提交了他的委员会的第三个报告，其中写道：“全力以赴研制原子弹，对于国家和自由世界的安全是必不可少的……必须认真考虑到，在几年之内，报告描述的原子弹或类似的铀裂变装置的使用，将决定军事上的优势。只要将足够质量的铀-235材料很快地合在一起，就可以产生具有超级摧毁力的裂变炸弹。”报告估计原子弹的临界质量为2～100公斤。由于原子弹爆炸时，核反应不能完全进行到底，1公斤铀-235爆炸时能产生相当于300吨TNT炸药产生的爆炸力。如果全力以赴的话，原子弹成功的时间为3～4年。

布什接到康普顿的报告后，立即报告罗斯福总统。罗斯福的回答是，如果原子弹是可行的，我们必须首先造出来！

S-1委员会的中心任务是，研究美国能否在战争结束之前造出原子弹。卡耐基大学核研究小组已经证明，快中子在铀中引起核裂变时，80％以上的裂变原于核是铀-235。加州大学伯克利分校的奥本海默根据最新的实验数据，估计原子弹的临界质量为2.5～5公斤。

原子弹的另一个关键问题是，能否在短期内获得足够的裂变材料。质量不同的同位素不能用化学方法分离，而且由于铀同位素质量大，而质量差小，分离它们是很困难的。当时美国的科学家已经在研究4种不同的铀同位素分离方法：

（1）扩散法。它利用克劳修斯热平衡原理，把质量不同的同位素分离，美国海军实验室很热心于这一方法。这种方法的缺点是效率太低。

（2）离心法。它利用不同质量的气体在旋转时所受的离心力不同而将同位素分离。原则上它可有很高的效率，哥伦比亚大学的尤里和弗吉尼亚大学的皮姆斯在这方面已经做了很多工作，主要涉及到材料和离心泵的问题。

（3）气体扩散法。它利用不同质量的气体穿过一些多孔膜时的透过系数不一样，从而把同位素分离。哥伦比亚大学的邓宁估计，如果让天然铀的氟化物气体通过5000层膜，氟化铀中的铀-235含量可以达到原子弹材料的要求。

（4）电磁分离法。它利用不同质量的带电粒子在磁场中的偏转不同，从而把铀同位素分离。1941年夏，劳伦斯从实验上突破了这一障碍，为铀同位素的大规模电磁分离开辟了道路。

另一种裂变材料钚-239的生产，首先要取决于自持式链式反应堆的建造成功，以及钚-239从铀中的化学分离。费米在哥伦比亚大学用石墨作缓冲剂的“晶格式”指数实验反应堆的中子增殖系数，已达到0.9以上，物理学家们认为这个系数可随材料纯度的提高而增大。另外一种用重水作缓冲剂的反应堆的研究也在进行，核工厂所需要的原料供应没有遇到很大的困难。

1941年初，在北美洲大概存放有2000吨氧化铀，美国和加拿大的铀矿每月能提供几百吨铀产品。S-1委员会估计，最小的原子弹只需不到10公斤的铀-235，提炼每公斤铀-235需要的氧化铀将少于1吨。一个反应堆也只需要几百吨氧化铀。因此，氧化铀的供应是不成问题的。同时，S-1委员会还筹划为反应堆的研制购买大量的石墨和重水。

1941年12月6日，布什把康普顿等人召到华盛顿，并正式传达了罗斯福总统“全力以赴研制原子弹”的命令。科南特在S-1委员会的会议上宣布，他将作为布什在S-1委员会的私人代表，协调核计划的进展。他同意在4种铀同位素分离方法上同时努力，确保为原子弹研制提供核材料。会议确定了各项具体工程计划的负责人：标准石油公司研究部主任默弗里被委任主管一切与研究有关的工程计划问题；尤里负责铀同位素气体分离的研究；劳伦斯负责铀的电磁分离；康普顿负责反应堆的研制，钚的分离、生产以及快中子和原子弹本身的理论研究。

早在1940年，康普顿就开始在芝加哥大学物理系组织自己的核研究小组；逐步使芝加哥成为美国核研究情报交流中心。他在接到S-1委员会的指示后，立即把芝加哥的核研究小组进行改组，升级成代号为“金属计划”的大研究计划，使其有权调动全美国的核研究力量。康普顿还在物理系建立了一个专门从事核研究的实验室，代号为“金属实验室”，一大批杰出的物理学家应邀到该实验室工作。

美国的核研究计划从此形成了。于是，人类历史上最大的武器——政治联姻将在未来的几年内实现，原子外交时代将悄然降临人间。人类，包括总统、主席、首相和国王们，都不得不在思维中出现“原子”的影子，它让所有的人不得安生，特别是在漫长的“冷战”时期。