1945 年7月24日，格罗夫斯在给马歇尔的报告中，就提出了对日本进行原子弹轰炸的4个目标：广岛、长崎、小仓和新泻。到7月底确定了其中的3个目标，格罗夫斯在他的回忆录中明确写道：“广岛是第一目标，小仓是第二目标，长崎是第三目标”。为此，美国从一开始就准备了三颗原子弹。美国空军509飞行大队还准备了 7 架飞机，用于投掷这三颗原子弹。
在用一颗原子弹轰炸广岛之后，美国又积极地进行了轰炸另外两个目标的准备工作。格罗夫斯在其工作安排中写道：“在洛斯阿拉莫斯‘胖子’(美国内爆式原子弹的代号)所用的钚最后处置完毕后，就用 C—54 型专机运到提尼安，另外两个‘胖子’所需要的一些其他重要零件，则由两架 B—29 型飞机运送。”由此可以肯定，美国在对小仓和长崎的轰炸之前，运到提尼安空军基地的是两颗原子弹。
这两颗原子弹是如何投下的呢?
据一些史料记载，8月9日凌晨3点49分，两架 B—29 轰炸机和两架侦察机从美国提尼安空军基地的跑道上飞快地掠过，向轰炸飞去，当它们到达小仓上空时，天空中阴云翻滚，用肉眼根本看不到目标，结果机长威内斯驾驶飞机，用了 45 分钟时间在小仓上空来回飞了三次，最终决定放弃轰炸小仓而飞向第二目标长崎，长崎上空同样是云雾重重，但是这一次飞机是不可能带着核弹返回的，于是临时决定采用雷达轰炸，当飞机做好了投弹准备的时候，空中的云雾突然散开了，天空中出现了一个清朗的大洞，轰炸员比汉透过这个大洞，看到了山谷中的一条跑道时，就果断地把两颗核弹投了下去……
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事后美国战略轰炸统计局估计，约有万人死亡，6万人受伤。对于这次轰炸，美国方面一直保持沉默，没有做过任何说明和解释，只有格罗夫斯在事后听到伤亡人数时说：“这个数字比我们原来估计的要少得多。”这就证明了美国方面原来估计的数字，是两颗原子弹同时爆炸的死亡数字，而事实上只爆炸了一颗。
当时日本长崎的防空报告准确地记录下了这一情况，日本长崎知事致防空总本部长官、九洲地方总监、西部军管区参谋长的报告写道：“本日10时50分B—29两架，自熊本县天草方向北进，经岛原半岛西部橘湾上空入侵长崎市上空，11时2分投下附有降落伞新型炸弹2个。”
许多人由此认为，原子弹是投下了，但它们落地之后的情况却是许多人都没有想得的：这两颗原子弹中只爆炸了一颗。
由于爆炸的这颗原子弹，偏离目标约2000米，所以较之广岛被害程度极轻，很少发生死亡与倒塌房屋事情。另一颗未爆炸的原子弹，并没有受到损害，接到报告后，日军大本营立即派人将这颗没有爆炸的原子弹严密看管起来。这可谓是天赐良机，日本虽然遭到了美国原子弹的轰炸，但同时也因祸得福，得到了一颗原子弹，如果条件可能，日本也可以造出自己的原子弹。可是日本成为战败国已成定局，而且帝国大学的原子加速器已遭到了美国飞机轰炸的破坏，要制造原子弹已不可能了。后来，日本人从关乎民族利益考虑，决定将原子弹交给苏联。
据说当时日本将那颗没有爆炸的原子弹交给苏联时，苏联还对日本作出过某些承诺。由于苏联已经从参加过美国原子弹试验的英国科学家法拉奇那里得到了美国原子弹试验过程中重要的科技情报，又从日本人手里得到了这颗没有爆炸的原子弹的实物，加上苏联人的聪明才智，很快就在1949年8月29日4时，首爆炸成功了苏联第一颗原子弹。
