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1945年5月8日，纳粹德国宣布向盟国无条件投降，欧洲战事基本结束。世界反法西斯战争胜利在望，轴心国中只剩下日薄西山的日本仍在负隅顽抗。7月2日，美军发起的冲绳战役胜利结束，下一步美军即将登陆日本本土。明知败局已定，日本军国主义分子却愈加疯狂，不断叫嚣“本土决战”“一亿玉碎”等口号。7月26日，美国、英国和中国发表《波茨坦公告》，敦促日本迅速无条件投降，但是日本政府置之不理。为了震慑日本使其尽快无条件投降，也为了避免美军在登陆日本本土的作战中出现大量伤亡，美国政府最终决定对日本使用刚刚研制成功的原子弹。
8月6日凌晨2时40分，美国陆军航空兵第509混成大队一架名为“埃诺拉·盖伊”号的B-29“超级空中堡垒”轰炸机由保罗·蒂贝茨上校驾驶，从马里亚纳群岛中的提尼安岛上腾空而起，在茫茫夜色中向日本列岛飞去。这架飞机经过特殊改造，装有一颗质量约为4.1吨、代号“小男孩”的原子弹。同行的还有五架B-29轰炸机，其中两架负责伴随观测，另外三架负责提前侦察广岛、长崎、小仓三座日本城市的天气状况。根据气象侦察机早晨7时反馈的天气情况，美军最终选择广岛作为第一个核打击目标。
8月6日上午7时31分，“埃诺拉·盖伊”号收到无线电指令，随即飞往广岛。大约40分钟后，“埃诺拉·盖伊”号飞抵广岛上空。因为已经连续数天有零星的B-29轰炸机飞临广岛上空侦察和模拟轰炸，所以很多广岛市民见怪不怪，不但没有躲进防空洞，反而抬头观望。
8时12分17秒，蒂贝茨上校通知机组人员戴上防强光伤害的护目镜。
8时13分47秒，投弹手托马斯·费雷比少校开始使用诺顿瞄准镜搜索目视轰炸瞄准点——广岛市中心的相生桥。
8时15分17秒，“埃诺拉·盖伊”号的炸弹舱门打开，原子弹从9 600米的高空落了下去，仅仅比预期时间晚了17秒。“埃诺拉·盖伊”号完成投弹后，立即掉头155度反方向飞行，加速撤离现场，尽量避开原子弹爆炸产生的冲击波。
8时16分整，原子弹在距离广岛地面580米左右的高度爆炸。
这是人类历史上第一次核打击。
“小男孩”的爆炸威力约为1.4万吨TNT炸药的能量。原子弹爆炸时间只有百万分之几秒，爆炸中心的温度为一千万开尔文（接近一千万摄氏度），压力为一千万亿帕斯卡。在爆心附近的人直接被气化，没有留下任何痕迹。在一阵耀眼的白光之后，一个巨大的红色火球开始迅速膨胀。冲击波携带着滚滚热浪，以排山倒海的气势从爆心向四周扩散，摧毁了沿途的建筑，点燃了一切可燃物。当一团巨大的蘑菇状烟云张牙舞爪地升上天空后，广岛市区已经变成了恐怖的人间地狱，到处是尸体，遍地是废墟。由蘑菇云吸入天空的烟尘在下落时形成了带有高强度核辐射的“黑雨”，使核污染进一步扩散。原子弹爆炸产生的核辐射使很多人后来得了各种怪病，在病痛的折磨中走向死亡。广岛当天因为原子弹爆炸死了78 000多人，受伤和失踪的有51 400多人，92%的建筑物被摧毁。
当美国总统哈里·杜鲁门收到核打击成功的消息时，他刚开完波茨坦会议，正乘坐“奥古斯塔”号巡洋舰回国。秘书送来一张电报，上面写着“成功向广岛投放巨型炸弹”。杜鲁门总统长吁了一口气，意气风发地说：“这是有史以来最伟大的一天。”不久之后，美国政府以总统的名义发表了一个关于广岛原子弹爆炸的公报：“16个小时前，一架美国轰炸机在日本的重要军事基地广岛投掷了一颗炸弹。这颗炸弹的威力相当于2万吨TNT。日本卑鄙地偷袭了珍珠港，挑起了太平洋战争，现已遭到数倍的报复……为了将日本人民从毁灭中挽救出来，我们于7月26日在波茨坦向日本发出了最后通牒，但是遭到日本政府的断然拒绝。如果日本政府继续顽固不化，拒绝投降，那么有史以来从未有过的毁灭性的原子激流，将从天而降如雨般落在日本人头上。”
在向广岛投掷原子弹后，美国马上对日本展开宣传攻势，通过电台广播和投放传单的方式宣传原子弹的巨大威力，呼吁日本人民敦促天皇结束战争。然而，日本军方判断美国拥有的原子弹数量很少，决定顽抗到底，以便争取更好的停战条件。于是，日本政府选择向人民掩盖广岛原子弹爆炸的真相，依然不肯无条件投降。杜鲁门总统在8月7日批准对日本实施第二次核打击，以便让日本人彻底放弃幻想。
8月8日晚10时，一颗质量约为4.9吨、代号为“胖子”的原子弹被装载至第509混成大队一架名为“博克之车”号的B-29轰炸机的弹舱内。这是一颗钚弹，与在广岛投放的铀弹“小男孩”相比，结构更复杂，威力也更大。
8月9日凌晨3时47分，“博克之车”号装载着“胖子”从提尼安岛机场拔地而起，飞往首选目标——小仓。
上午9时5分，“博克之车”号飞抵小仓上空。这天小仓上空的气象条件很差，空中布满厚厚的云层，能见度极低。“博克之车”在小仓上空盘旋了三圈，始终未能找到瞄准点——5号军火库。这时小仓的地面防空部队发射出密集的高射炮火，日本战斗机也可能即将升空拦截，任务指挥官查尔斯·斯威尼少校当机立断，决定转向飞往备选目标——长崎。
10时28分，“博克之车”号飞抵长崎上空。恰巧这天长崎也是多云天气，“博克之车”号在长崎上空盘旋了几圈也未能找到目视轰炸瞄准点。眼看返程燃料已经不足，斯威尼心情异常紧张，决定改用雷达搜索目标，一定要把“胖子”投下去。
10时58分，军械师阿希沃思中校启动雷达装置，准备投弹。此时，投弹手克米特·比汉上尉突然发现机身下方两块云团之间有一大段空隙，透过空隙可以清楚地看到瞄准点——三菱重工长崎造船厂。他立即通知斯威尼，可以进行目视轰炸。比汉随后瞄准了三菱重工长崎造船厂以北2.5公里的长崎市中心体育场，从8 500米高空扔下了“胖子”。
“胖子”的爆炸高度为503米左右，爆炸时间为上午11时02分，爆炸当量约为2.2万吨TNT。因为长崎三面环山，山体阻挡了部分光热辐射和冲击波，所以原子弹爆炸造成的损失小于广岛，但是同样使这里变成了人间地狱。长崎当天因为原子弹爆炸死了34 000多人，75 000多人受重伤，37%的建筑物被摧毁。
广岛、长崎两次原子弹爆炸造成的巨大损失和空前震撼沉重打击了日本军国主义的嚣张气焰。日本军方认识到之前低估了美国拥有的原子弹数量，很多军方高层丧失了继续抵抗的勇气。“八纮一宇”的亚洲帝国迷梦在原子弹爆炸的蘑菇云中彻底幻灭。
面对前所未有的核威胁，加上8月8日苏联向日本宣战，日本政府在8月10日凌晨被迫决定接受《波茨坦公告》。拥有装备和兵力双重优势的苏军大举进攻被日军控制的中国东北地区，使日本失去了可以依托的“大后方”。8月10日上午6时45分，日本外务省电告瑞士、瑞典驻日本公使，请他们的政府将日本接受《波茨坦公告》的照会转交美、英、中、苏四国政府。8月15日，日本政府公开宣布接受《波茨坦公告》，昭和天皇以广播《停战诏书》的形式宣布无条件投降。这标志着世界反法西斯战争和中国抗日战争取得全面胜利。
美国扔在广岛和长崎的两颗原子弹有力地推动了日本军国主义的覆灭，也震惊了全世界。作为日本军国主义的最大受害者，已经坚持抗战14年的中国人民一方面对日本法西斯的最终覆灭拍手称快，另一方面对原子弹的巨大威力充满了惊奇。