广岛的悲剧并没有使日本政府立即同意接受“无条件投降”。他们把希望寄托在苏联调停上。出乎日本人的预料，苏联人民委员莫洛托夫告诉日本驻苏大使说，因为日本仍在进行战争，拒绝接受《波茨坦公告》，使日本请求苏联调解远东战争的建议没有希望。苏联政府遵守苏、美、英三国首脑在雅尔塔会议的义务和要求，即苏联有条件地正式承担了在德国投降及欧战结束两个月或3个月内，参加对日作战。
原子弹的袭击，苏联的参战，日本帝国主义走投无路，被逼近死角。8月9日上午，日本最高战争指导会议在皇宫地下防空洞里举行，讨论是否接受《波茨坦公告》以结束战争。正当会议在激烈争论中进行的时候，美国在长崎投下了第二颗原子弹。
第一颗原子弹轰炸广岛成功以后，美国开动宣传机器，向世人展示新式武器的威力。当天上午11时，白宫通知各报社：总统将要发表一个重要的公报。由于原子弹轰炸日本的保密工作做得非常成功，舆论界对此毫无准备。那些专门坐阵白宫的记者对这类新闻发布会已经习以为常，没有丝毫的新鲜感。许多记者是派助手去应付。但是，这一次他们可不能算是白宫问题专家了。总统新闻秘书站起来宣读公报，刚开头读了几句，大家就坐不住了。“比2万吨梯恩梯炸药还厉害”这句话一出口，也就是刚进入原子弹的正题，记者们就嗅到了这次新闻发布会重要性的味道，纷纷冲到门口争抢放在小桌子上的那些印好的公报。有的记者奔出去打电话，有的记者折转自己的办公室。美国总统的新闻公报借助传播媒介同仁们的激动、兴奋和震惊，在各大报纸上广泛传播。
与此同时，美国正在太平洋的岛屿上发动一场对日本的宣传攻势。他们的目的是“使日本人民把原子战的真相铭记在心”。据说推动美军开展对日宣传的是马歇尔。因为他对日本没有立即乞求和平感到惊讶和震动。美军在塞班岛上的电台每隔15分种向日本人广播一次，他们告诉日本人，投在广岛的那颗原子弹“约等于2000架重型轰炸机B—29在一次飞行任务中所携带的爆炸力”，要求日本人民“吁请天皇结束战争”。美军利用塞班岛上的印刷厂，将广播内容印成传单，向47个人口超过10万的日本城市散发。
舆论可以鼓舞人民支持战争，鼓舞士气进行战争;舆论也可以孤立敌人，动摇敌人，打击敌人。但是，最终还是要实力解决问题。美军决策人物在第一颗原子弹扔下去以后，立即决定在日本人惴惴不安、惊魂未定的时候，紧接着扔第二颗原子弹。
第二颗原子弹是内爆式的钚弹，绰号叫“胖子”。这颗原子弹的投掷日期，最初的计划是8月20日，后来又改为8月11日。8月7日，在轰炸广岛成功的第二天，又从预订的时间表里减去了一天。但是，根据天气预报，8月9日是个好天气，而8月9日以后将有连续5天的坏天气。这就给决策人提出了一个非常简单又非常严峻的问题，要未再提前一天，要么就推迟5天。他们选择了前者。
这是个艰难的选择，这是个冒险的选择。工程技术人员认为，这样干很不可靠。他们警告说，缩短整整两天的时间，将妨碍一系列重要的检查程序。但是“命令就是命令”，他们决定执行。
组装工作的进展很顺利。8月7日夜，“胖子”的内脏部分已组装完毕，紧凑地装进钢壳里，可以上飞机了。8月8日22时，“胖子”象它的哥哥“小男孩”一样，睡进了重型轰炸机B29的弹舱里。
8月9日凌晨3时47分，“胖子”在热带暴雨中，伴着闪电划破的朦朦黑夜的亮光起飞了。驾驶载运原子弹的飞行员是查理·斯威内少校。与这架飞机同时起飞的还有两架观察机。
这次轰炸目标只指定了两个，主要是小仓，其次是长崎。为了尽可能轰炸第一目标，规定不管天气预报如何，轰炸机必须尽量靠近第一目标飞行，只有在肯定第一目标没有进行目视轰炸的可能以后，再飞往第二个目标。为了避免进行摄影的飞机提前到达现场，要求他们在飞过琉磺岛以前，必须与琉磺岛和提尼安岛两地核对情况。如果由于情报不充分而产生怀疑，摄影飞机就必须把两个目标都拍摄下来。但是，担任照相任务的B29轰炸机不知什么原因，未能按时赶到屋久岛汇合地点。前两架飞机的驾驶员焦急地在空中盘旋了45分钟，仍未能见到他们的伙伴。最后得到指挥官同意，它们即飞向自己的第一个目标——九州的小仓(这里有日本的重要兵工厂)。
当飞机抵达小仓上空时，由于城市烟雾很浓，飞机在那里环绕飞行3圈，投弹手克米特·比汉没有发现目标。而排在轰炸名单上的第3个城市新潟，路途太远，飞去有困难。由于飞行燃料不够，于是，飞往机器制造业集中的长畸这个候补目标试设。这时，机上的燃料已不多了，没有再多的选择余地，只能作最后一次行动。再迟延有可能飞不回去。
长崎是个有20万人口的城市。这个城市建在一些陡峭的小山上。它的港湾面对东海。长崎是寓言传说中风景特别秀丽的港口。市区面朝港湾，浦上川从北面流进该湾。长崎很早就成了日本的主要对外贸易港口。它还有自己的工业区。
10时多，飞机飞到长崎上空，发现这里的天气也不好，云量很浓，目视条件并不比小仓好。于是决定采用雷达轰炸。
10时58分，在即将准备用雷达指挥投弹的一瞬间，突然发现云雾中出现了一个小孔隙，随即改为轰炸目标。投弹手汉比瞄准了山谷中的一条跑道投下了原子弹。但是，原子弹并没有投到原定的目标点，而是投到了该目标以北1.5英里的地方，即浦上河流域，落在两家大兵工厂之间，把两家生产军事物资的工厂炸个粉碎。
轰炸长崎的原子弹从29000英尺的高度投下。11时2分，长崎出现了异常炽亮的蓝色闪光。先是沉闷的隆隆声，接着刮起一阵狂风。
少倾，又一次颤动。冲击波和震动延续了5分钟的样子。当时，一架日本水上飞机在7000米的高空穿进云层，向长崎飞去。飞机从云层钻出来时，驾驶员看到一根巨大的黑烟柱，上面“象一个怪物的脑袋”，不断地向上翻动，不时呈现出各种光怪陆离的色彩。热度很高的烟云也使飞机和机上人员恶心呕吐。从拉开的舱盖涌进一些黑色的尘土。
当时，日本最高军事参谋部正在召开紧急会议。会议快结束时，接到了长崎被炸的消息。陆军部长阿南对首相铃木小声说：“第18军军部报告说，没有任何损失。只是居民有损失。我们要等一等再做结论。……”
由于气候不好没有立即派出空中侦察机。一周后天气转好，获得的空中侦察照片表明，长崎市44%被毁掉。
一声爆炸，长崎这个城市的20万居民中，约7800人死亡，负伤者亦达70000多人。伤亡人数占全市总人口的三分之二。
在长崎的受难者中也有不少外国人。三菱制钢所由一些盟军俘虏组成的劳工队正好赶上爆炸，死了不少人。1里外的战俘营地也遭了横祸，甚至在30里外的千流战俘营地也感觉到了冲击波。总之，是死了不少人。
一个小孩在地面零点时在附近行走时，爆炸气浪把他冲离地面，然后烧成焦炭。
在驻军司令部，离爆心投影点西南3.5公里处。当空袭警报解除后，一个担任警戒哨的士兵从岗楼爬下，他把佩剑挂在梯子上，正在解开上衣的扭扣时遇到轰炸的闪光。他的身影被烧化印在墙上。
在爆心投影点西南500米的一所学校。向着爆心投点一方被强烈的爆炸气波冲毁，看上去如同被大铁锤砸坏的一样。
原子弹爆炸时，产生近200种不同的同位素，全部具有辐射性，劫后余生者，都得了“辐射症”。这种病使患者呕吐、丧失食欲、焦渴、高烧及腹泻。接着是头发脱落，牙肉肿痛，白血球迅速消失。病人伤口难以愈合，各种癌症相继发生。受辐射人很难与健康人结婚。他们之间结婚后生出的婴儿，全部智力迟钝。
第二颗原子弹轰炸长崎的当天，日本天皇裕仁采取特殊的步骤，通过瑞士转送接受《波茨坦公告》的投降建议。8月15日，裕仁抵制了那些要说服他改变关于投降承诺的种种努力，亲自在电台上向全国广播，接受《波茨坦公告》，实行无条件投降的诏书。坚持死硬立场的陆相阿南、前首相近卫文磨绝望自杀，头号战犯东条英机自杀未遂，最后被判绞刑。
1945年9月2日下午9时，日本投降仪式在泊于东京湾的美国军舰“密苏里”号上正式举行。日本新任外相重光葵代表日本天皇和政府，陆军参谋总长梅津美治郎代表帝国大本营在投降书上签字。至此，反法西斯的第二次世界大战也同时宣告结束。
在谈判的整个期间，洛斯——阿拉莫斯和提尼安岛的全部机构保持着戒备状态，以便和谈破裂，准备好更多的原子弹。此期间有7架载着“南瓜”的飞机，飞往日本，准备必要时继续进行袭击。
日本无条件投降后，提尼安岛的活动结束，9月17日，文职科学家离开了此岛。留下两个人处理有关财产，并且将任何可能泄漏原子弹秘密的东西，在严格保密监督运回洛斯-阿拉莫斯。
1945年10月16日，当格罗夫斯将一张陆军部长颁发的奖状授予洛斯-阿拉莫斯实验室时，被誉为“原子弹之父”的奥本海默科学家以动人的词语说道：
“我以崇敬和感激的心情，从您这儿接受这张赠给洛斯-阿拉莫斯实验室和那些以自己的劳动和忠诚而取得这个荣誉的男人和妇女们的奖状。我们希望在未来的年代里，我们可以骄傲地看看这张奖状和它所象征的一切。
“今天这种骄傲的心情同深切的担心交织在一起。如果原子弹被做为新武器装进战争世界的武库，或装进扩军备战的国家的武库，那么。将来总有一天，人类要诅咒洛斯一阿拉莫斯和广岛这两个名字。
“生活在这个世界上的人们必须团结起来，不然他们就会遭到毁灭。这次如此残酷地蹂躏全球的战争已经写下了这些词句。原子弹已经说出了这些词句，并使所有的人去理解它的含义……”

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