日本政府表面上风平浪静，其实内阁成员对是否接受《波茨坦公告》一直在争论不休。首相铃木和外交大臣东乡主张停战，但陆军大臣阿南和军部坚决反对。就在日本内阁一次次开会就是否停战问题进行争论的时候，格罗夫斯决定趁日本人惊魂未定，发动第二次核打击。格罗夫斯担心广岛原子弹爆炸会激起日本人的抵抗意志，于是决定让“胖子”大显身手，袭击目标选定在小仓。随后，杜鲁门命令欧洲的美国战略空军司令斯帕茨：“除非有特别指示，否则按原计划进行。”
第二颗原子弹是内爆式钚弹，绰号“胖子”。当初计划投掷时间在8月20日，后来又改为8月11日。核袭广岛成功后，格罗夫斯又催促将时间定在8月10日，他认为这样可以彻底打垮日本人的抵抗意志，没有时间想出对策。然而，根据预报，9日是好天气，9日后的5天内天气都不好，不利于投弹，这就使得时间更加紧迫。工程技术人员诺曼·拉姆齐认为9日投弹很不合适，2天时间，很多检查程序都无法进行。
然而，他们又不得不执行命令。于是，在炎热的夏季，拉姆齐不得不闷在炸弹库中，加班加点安装“胖子”。为了放松心情，他继续收听东京那些温柔的女播音员的广播。当报道涉及广岛所蒙受的放射性伤残和死亡情况时，他感到有些不解。广播里说，这颗炸弹是爆炸型，而非辐射型，许多人死于砸伤，这些报道显然是一场宣传骗局。不过，他对另一些事情非常担心，据说要想尽快结束战争需要投放大约50颗原子弹，组装这些原子弹可不像盖个房子那么简单。他希望“曼哈顿工程”实验室主任奥本海默能改进这些炸弹的设计，以确保全体工作人员的安全。“胖子”结构复杂，在空中无法安装，拉姆齐只能待在炸弹库中没日没夜地干。这个时候，“胖子”的内脏部分已经组装完毕。
这一天，苏联人民外交委员会的一名官员给日本驻苏大使馆打电话，告诉他明天下午5时，苏联外交人民委员莫洛托夫约见日本驻苏大使佐藤，有外交事务相告。语调平静而轻松，和平时没有什么两样。
其实，佐藤比莫洛托夫更希望这次会晤，国内多次来电，催促和苏联谈判，希望由苏联出面调停。莫洛托夫对日本提出的一系列外交要求，不但没有答复，而是一推再推、一拖再拖。这次会晤，佐藤心想也许是商讨这件事的。佐藤这样想着，心里感到很轻松。
8月8日，拉姆齐开始组装“胖子”的外面部分，之后把它装到钢壳里，这时候它基本上可以上飞机了。已经是深夜，组装人员疲惫不堪，大家都准备休息了。拉姆齐做了最后的检查，他突然发现在内爆球前面的点火原件和尾部的雷达原件之间连接的地方好像不太好，似乎有什么问题。原来，这两个地方的插头都是阴插头，根本无法连接。拉姆齐吓出了一身冷汗，顿时困意全无。他一遍又一遍地检查电路，把所有的电线连接点又重新连接，至少检查了3遍。他终于发现了问题的所在，有一处线路焊接失误，要纠正这个错误就必须把焊点重新焊接。
这个时候再拆开重装可不是一件容易的事，需要全组人员行动起来，干上两天才能做完。拉姆齐决定冒险，采用非常规的办法，尽管条例规定不允许在组装室里存在任何能够发生热量的东西，拉姆齐还是叫来了技术员。他们从电子实验室借来一个电源插座，找来电烙铁，然后烧开电线，把插头焊在电线的另一头。做这些事时，拉姆齐非常小心，尽量不让电烙铁碰到“胖子”。就这样不分昼夜地苦干，“胖子”终于完整地躺在B-29轰炸机的弹仓里。
在拉姆齐看来，如此草率地组装一颗原子弹实在不是一种科学负责的态度，特别是在提尼安基地这样的条件下，飞机起飞时发生坠毁十分频繁，这架载着原子弹的飞机严重超重，出事故更是很难避免。基地司令也听说过原子弹的危险性，他强烈要求拉姆齐和帕森斯签署一份声明书，保证原子弹起飞时的安全。两人都在声明书上签了字，其实都没有多大把握。拉姆齐觉得根本不用担心事后被追究责任，如果发生事故，他们会被炸上天，根本就没有解释的机会。
此次空投任务落在第五○九混合大队的斯威尼机组身上。斯威尼曾率领他的机组驾驶“艺术大师号”观测飞机在广岛轰炸中担任轰炸效果观测任务。由于这次“艺术大师号”上保留着科学仪表，将再次当作观察机使用。斯威尼只好用另一架B-29轰炸机“鲍克斯卡号”作为原子弹载机。斯威尼一次次地祷告，希望自己和保罗·蒂贝茨一样幸运。
8日清晨，仁科带领调查团就来到机场，而出现故障的那架运输机还没修好。日本政府对这个代表团好像不太热心。直到下午，调查团的1名成员才说服驾驶员，用1架运送弹药的运输机把他们运往广岛。
仁科听说广岛已经停电，便带了1台盖革计数器。他对助手们说：“不需要更多仪器，从广岛的破坏情况和当地人的伤残情况就可以说明问题。辐射造成烧伤和其他烧伤不同，高温可能使铁轨熔化，伤员的白血球会显著下降。”
8日下午，仁科调查团来到广岛上空。从飞机上可以看到，这座昔日繁华的城市已经变成了烟雾弥漫的废墟，仁科的判断被完全证实。当他们在吉岛机场降落后，受伤的士兵向他们描述了爆炸时的瞬间情景，毫无疑问，广岛受到了原子弹的攻击。当晚，调查团向东京陆军总部发出电报，汇报了调查团的结论。
尽管仁科对原子弹造成的破坏感到震惊，但他表面上显得十分沉静，也没有停止工作。他带领全组人员积极工作，在废墟上进行各种测量和考察。距离爆炸中心约200米的半径内，所有屋顶上的瓦全被烧0.1毫米，根据这一事实，他可以大致估算出当时的温度。
由于原子弹发出的光线太强烈，周围的一切都褪色了，所有的东西都被烧坏了，在木板墙上留下了人体和各种物体的影子。通过这些影子，他们估算出炸弹在爆炸时的高度。他们还提取了爆炸中心的土样，以便返回东京的试验室后测定它的放射强度。
以防卫厅第二署署长正藏有末为首的调查团主要由日本军官组成，他们比仁科代表团早一天到达。这些狂热的军国主要分子希望这是一颗普通炸弹，以免动摇战争的决心。他们一下飞机，一位高级军官就来迎接他们。这个军官脸被烧伤了，看起来很严重。他指着伤处对正藏有末说：“被烧坏的都是露到外面的东西，只要稍微遮盖点儿东西就不会有事的。对付这种炸弹还是有防御办法的。”