廣島投彈之後，在帝尼安島上的科學家和太平洋上的美軍指揮官們都希望第二顆原子彈能夠在天氣轉變之則投彈下去。由於當時壞氣候接近日本本土，原訂在8月20日的第二次投彈，先是提早到11日，其再度往前挪至9日，由於提前太多，“胖子”的組合裝設，一直到8日才完成，以至於連飛行試投都無法進行，負責安裝工作的阿希渥斯說：“我相信這是近代武器中唯一由實驗室直接服役的一次。”
光榮投降與困獸之鬥
在“胖子”出發之前，太平洋美空軍轟炸大隊指揮官李梅將軍曾派機到日本上空遍投傳單。傳單上說：“美國已經發明威力空前強大的原子彈……美國正源源不斷的生產這些原子彈中。希望你能呼籲日皇即刻止戰爭，以免遭原子彈的襲擊。”
然而，多數日本民眾並不了傳單上說什麼，因為，日本軍閥徹底封鎖廣島被扔原子彈的消息，只有極少數人知道廣島徹底毀滅的實況。曾任雷根總統核武管制特別顧問的保羅‧尼茲在戰後與“曼哈頓計劃”科學家們到廣島去從事調查，從日本官員口中證實日本軍方確有意頑抗到底，軍方相信美國只有一顆原子彈。
投擲“胖子”的任務並不順利。它的目的地原定為小倉縣，當時日本主要兵工廠所在地。三架飛機於9日清晨起飛，約好在日本南方1500哩外一個小島上空會合。起飛前，載了“胖子”的綽號“布克斯卡車”（Bochs Car）的B29的輔助油箱出現漏油現象，但因惡劣氣候已經迫近，遂決定照常起飛。到了會合點，B29機長兼駕駛員史懷尼少校看到作科學實驗的飛機準時飛到，另一架攝影機則未出現，轉了50分鐘，仍未見該機蹤影，史懷尼和在機上的希渥斯決定飛往目標區小倉。
到
了小倉縣上空，雲層密佈，俯衝3次都找不到投彈目標點，而油已消耗甚多，史、阿兩人商議後，決定放過小倉，飛向第二目的地長崎。當時機上油料，只夠在長崎俯衝一次，而後折返飛到沖繩，要是不把重達一萬磅的“胖子”丟下去，還飛不到那麼遠。
長崎上空也是雲層密佈，阿希渥斯已準備命令他的助手用雷達投彈，剎那間，雲層散開，乃照原計劃用視力操作，然而倉卒之間，仍未能命中目標──長崎市中心，而扔到一哩之外，靠近一座地雷工廠。其實，是否命中目標點並非特別重要，長崎市幾乎全毀，整個長崎地區當時就死了7萬人。
在投下第二顆原子彈之後，科學家們和美軍當局仍不敢確定日本是否會投降。他們繼續準備投彈。8月10日，華盛頓的葛羅夫將軍向馬歇爾報告，如果天氣許可，第二顆“胖子”可在8月17日或18日投擲，比原訂日期提早一個禮拜。8月14日，提北茲派遣7架B29在名古屋等地進行投彈試飛。
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