20萬人參與“曼哈頓計劃”
製造原子彈的“曼哈頓計劃”動員20萬人，在新墨西哥州沙漠地區的37個秘密實驗室和工廠日夜趕工，到1945年初已花了20億美元（以現在幣值換算達260億美元）。就在此“曼哈頓計劃”有了突破，發展出兩種型態的原子彈，一種以鈾為原料綽號“小傢夥”（Little Boy），一種以鐪為原料綽號“胖子”（Pat Man）。1945年7月16日在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯（Los Alomos）沙漠試爆成功的是“胖子”。科學家對“小傢夥”非常有信心，認為根本不必試爆。但“小傢夥”的問題是，鈾原料提煉不易，生產極慢。
因此，奧本海默在“胖子”試爆成功之後第三天，致電他的主管葛羅天少將（Leslie Groves）建議暫緩投擲第一顆生產出來的“小傢夥”，而加速生產“胖子”，估計在3個月內可生產15顆，可配合1945年11月1日美軍登陸日本的預定日期使用。葛羅夫的答覆是，由於軍情緊急，無法等到11月份，必須先投第一顆“小傢夥”和第一顆“胖子”，視日本軍方的反應，再決定是否繼續投擲。“胖子”試爆之前，參與其事的科學家打賭，其威力應是相當200噸黃色炸藥，試爆之後測得威力達到100倍，相當於黃色炸藥1萬5千噸至2萬噸的威力。“小傢夥”的威力尤有過之。
接下來是選擇轟炸城市的敏感而重要的問題，美國官員主張，原子彈的威嚇作用應該比其軍事效果為重。在一次高層會議中，當時杜魯門總統的副科學顧問詹姆士‧康納特（其後曾任哈佛大學校長）建議，投擲目標應該是人口輻輳而擁有軍事設施的城市。奧本海默曾提出輻射傷害的問題，但當時也並不確實知道傷害有多大。
日本古城京都是第一個“獲選”的城市，廣島名列第二。根據後來解密的美方秘密會議紀錄顯示，京都獲選是因為美官員認為這個文化古城中住滿知識份子，原子彈對這些知識份子所造成的震撼和傷害，對日本人將特別有影響力。其後因戰爭部長史汀遜堅決認為這個文化之都應予保存（史汀遜年輕時代曾訪京都，對京都的古寺特感興趣），杜魯門決定排除京都，由廣島“取代”，兩城人民的禍福就此改變。
即使到了這個時候，仍有人對投彈持保留態度，例如氫彈之父泰勒就認為有必要先在東京灣作一次試爆，也有人認為應該先給日本當局作最後警告，奧本海默認為這些想法均窒礙難行，力主照計劃投彈。最有影響力的聲音來自當時的英國首相邱吉爾，他在波茨坦會議中告訴杜魯門總統：“必須給日本人一兩次電擊，那樣日本政府才有光榮投降的藉口，也才能避免日本軍人走上困獸之鬥。”
杜魯門最後決定：在1945年8月3日之後，也就是波茨坦宣言要求日本無條件投降的限期之後，一俟天氣許可，即刻在日本投擲兩顆原子彈。杜魯門其後為他下令投彈辯護說，如果不如此，而採用原先計劃的登陸戰，則雙方軍人和日本平民的死亡人數將在百萬人以上。登陸戰並未發生，杜魯門的說法無從證實，卻也無從挑戰。
8月5日，在距離日本2000哩的太平洋帝尼安島上，第一顆（小傢夥）結合完成，裝進名叫“艾諾拉號”（Bnola Gay）的B29重轟炸機，6日，清晨2時45分，由指揮官兼駕駛員保羅‧提北茲率領的機隊由基地起飛，6個半小時之後，抵達廣島上空，在當地時間8點15分投彈，僅比預定時間晚半分鐘。
提北茲事後回憶，投彈之後他回頭望去，只見飛機底下的廣島只剩下一層灰，一陣煙，到處沸騰，冒出泡沫。提北茲說：“我管它叫焦油城市〝a pot of boiling blackoil！〞提北茲可能不知道，在這焦油城市的灰塵中，躲著昏迷過去的18歲少女田中萱子，在昏迷之前，還對他駕駛的B29招手喊道：“嗨！安琪兒！”
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