苏联第一颗原子弹的研制是一个较为复杂的历史过程，先后经历了三个阶段：第二次世界大战前的核物理基础理论研究阶段，它为苏联研制原子弹奠定了科学理论基础；第二次世界大战期间军事利用核能的技术条件准备阶段，它为苏联研制原子弹确定了基本方向和准备了技术条件；第二次世界大战后的全民总动员阶段，它为苏联研制原子弹提供了组织和领导与物质和精神保证。
    一 第二次世界大战前苏联的核物理基础理论研究苏联的核物理研究始于1918年列宁格勒国家X射线学和放射学研究所的成立。该所由物理技术部、光学部、镭学部及生物医学部组成，А．Ф．约费被选为第一任所长。约费于1902年在圣彼得堡工业学院毕业后，前往慕尼黑伦琴实验室工作，跟随诺贝尔奖获得者威廉·罗恩特教授从事科学研究。1918年被科学院选为通讯院士，两年后成为院士。1919年，约费在母校成立了物理技术系，成为培养苏联物理研究人员的摇篮，约费则被称为苏联物理学派之父。
    1922年，列宁格勒国家X射线学和放射学研究所改组为三个独立的科研机构，即X射线学和放射学研究所、物理技术研究所和镭研究所。以约费领导的物理技术研究所为基础，建成了由14个研究所和3所工业技术学校组成的科研体系，共有研究人员1000多名，其中有近百人为著名学者①。20年代，物理技术研究所是苏联最大的物理研究机构，其宗旨是既搞物理，又搞技术，力求将基础学科与应用研究相结合，主要从事固体物理、半导体物理及核物理研究。在量子力学引发物理学革命的年代，物理技术研究所是当时欧洲主要的物理研究中心之一。物理技术研究所代表了苏联物理学流派，培养了一支实力雄厚的科研队伍，包括И．В．库尔恰托夫、Н．Н．谢苗诺夫、Г．Н．弗廖罗夫、Ю．Б．哈里顿等人。之后，他们都成为参与苏联核计划和第一颗原子弹研制的科研骨干力量②。
    镭研究所是苏联最早进行放射性、放射性元素、放射化学及核物理学研究的研究所之一。20年代初，时任化学研究室主任的В．Г．赫洛平邀请了列宁格勒大学的学生到镭研究所毕业实习，借机培养了大批放射学专家，形成了以他为首的世界著名的放射学派。1922年，以赫洛平为首的镭研究所研究人员从苏联的镭矿中首次成功地提炼出了镭样品并在巴黎展出。就科研水平和实力及其研究的深度和广度而言，镭研究所在世界放射学研究领域占据着重要的位置。在苏联后来实施的核计划和第一颗原子弹研制中，镭研究所扮演了不可替代的重要角色。
    在核物理史上，1932年是一个重要的年份。这年年初，著名的英国物理学家卢瑟福的学生查德威克在卡文迪许实验室用α粒子轰击铍核的实验中发现了新的基本粒子--中子。中子的发现为物理学家们提供了轰击原子核的新“炮弹”和开启核能的“金钥匙”。发现中子以后，苏联的科研机构随即开始了中子实验研究。1932年4月，物理技术研究所的Д．Д．伊万年科首次提出了原子核由质子和中子组成的结构假说。1932年12月，约费在物理技术研究所成立了核物理研究小组。1934年年初，在核物理研究小组基础上成立的核物理研究室已建成多个实验室。1935年，又有库尔恰托夫等人在研究中子辐照下溴的伽马射线时发现了放射性原子核的同质异能现象。1936年，Я．И．弗伦克尔证实了中间原子核的破裂过程与分子从凝结介质中的蒸发过程类似，提出了原子核的水滴模型说，并将热力学概念引入核物理学，为重核裂变理论奠定了基础③。
    20世纪30年代初期，苏联主要的物理研究所大都隶属于各工业委员会管辖。1932年，科学院决定成立自己的物理研究所，由С．И．瓦维洛夫担任所长。1934年，瓦维洛夫决定成立理论物理研究室，组织开展核物理和宇宙射线辐射等基础理论研究。在进行伽马射线辐照下的铀盐溶液发光现象研究中，切连科夫发现了电子在液体中的高速运动引起液体发光的现象，这便是物理学上著名的“切连科夫效应”。1937年，塔姆和弗兰克对这一现象进行了理论阐释。1958年，切连科夫、塔姆和弗兰克因发现和解释带电粒子在透明介质中以极高的速度穿过时发出一种特殊的光的效应而获得诺贝尔物理学奖。
    1931年，物理技术研究所分为物理技术研究所、电物理研究所和化学物理研究所三个独立的研究机构。化学物理研究所所长由约费的学生Н．Н．谢苗诺夫担任。谢苗诺夫1929年被选为苏联科学院通讯院士，1932年被选为院士，长期从事化学物理研究并发现链式化学反应现象，创立了苏联化学物理学派。他领导的化学物理研究所培养了哈里顿、Я．Б．泽利多维奇等著名的化学物理专家，后来，这些人都成为苏联核计划和第一颗原子弹研制的科研骨干力量。1956年，谢苗诺夫因对链式反应理论的研究获得诺贝尔化学奖。
    1935年年初，物理问题研究所在莫斯科成立，所长由П．Л．卡皮查担任。卡皮查毕业于彼得格勒工业学院，1921年前往剑桥大学卢瑟福领导的卡文迪许实验室进修深造并获哲学博士学位，先后被选为三一学院和皇家学会会员。1934年回国后，在卢瑟福的大力协助下，卡皮查在剑桥大学实验室的全部设备被运回苏联。1978年，卡皮查因对接近绝对零度温度下液氦的超导性研究与美国射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊一道获得诺贝尔物理学奖。因其学术地位和国际影响，卡皮查曾受到苏联领导人的重视，参与了苏联核计划早期的科研领导工作。
    在法国著名物理学家约里奥-居里夫妇发现人工β放射性之后，意大利物理学家费米和德物理学家哈恩等人对铀和中子反应过程中产生β射线的原因继续进行研究。1938年12月和1939年2月，哈恩和施特拉斯曼先后发表了《论中子轰击铀时产生的碱土金属及其特性》和《论中子轰击铀和钍时生成钡的放射性同位素》两篇论文。哈恩原来的同事梅特纳和她在玻尔实验室工作的侄子弗利什最先对从铀中生成钡的原因进行了科学解释，并首次使用了“裂变”的概念。④欧美许多实验室者重复进行了核裂变实验，证明了梅物纳和弗利什所做结论的正确性。在上述实验研究的基础上，苏联物理学家弗伦克尔和丹麦物理学家玻尔及美国物理学家韦勒分别对原子核的裂变过程进行了理论阐释，提出了原子核液滴模型，创立了原子核裂变理论。
    苏联物理学界对铀原子核裂变现象迅速作出了反应。化学物理研究所的泽利多维奇和哈里顿对产生链式裂变反应的条件进行了研究，并从理论上证明了实现铀核链式裂变反应的可能性。1939年年末到1940年年初，他们分别考察了铀－238在快中子作用下产生链式衰变的可能性和铀－235在慢中子作用下产生链式裂变反应的问题，并根据实验数据得出了铀－238不具备产生链式裂变反应的条件的结论。他们表示，铀和水混合物不会产生铀核链式反应，只有将重氢或重水作为中子减速剂时链式反应才会产生。实现链式裂变反应的另一个途径就是浓缩铀－235同位素。他们还研究了接近临界状态的链式反应的动力学及利用核能制造炸弹的可能性问题⑤。