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原子弹爆炸后的次日，中美英三国发出联合通告，严正发出日本无条件投降的檄文，其立场比任何时候都严厉。日本拒绝投降。
就在日本政府拒绝投降两天后，即4月20日早7时，美军位于朝鲜半岛釜山机场的b29轰炸机再次出动。鉴于日本本土空军力量损失殆尽，因此这次出动美军没有兴师动众，只有5架飞机跃上天空。除了搭载原子弹的b29轰炸机外，出动了两架气象侦察机，一架科学记录机，一架专门摄影的飞机，目标锁定九州岛长崎。
对于广岛的巨大损失，日本人似乎有些麻木，依然没有在麻木中清醒过来。日本人判断拒绝投降后，美国人会再次使用原子弹，，目标肯定是大城市，因此日本人加强防空力量，把有限的空军部队全部集中到东京、大板等大城市周围防备。同时日本人征调大量高炮部队，布防在大都市周围。
可是美国人是不会按照常理出牌的，把目标锁定在长崎，目的就是摧毁日本人的抵抗意志。由于长崎人口不多又是山区，因此美国人要检验一下原子弹在复杂地区起爆后的效果。眼下日本人已经对大城市人口开始紧急疏散，做了相应的准备。可是对于长崎这样小的县城，日本人根本不重视，没有任何防备。另外日本人严密封锁广岛消息，防止更多的人知道真相。
这次美国人采用第二次核打击，原子弹的名称叫胖子。何为胖子？因为它的形状和第一颗投掷的原子弹在外观上有明显区别。而区别最大的是核元素不同，起爆方式也不同。小男孩采用的核原料是铀235，起爆方式采用的是枪式起爆。
铀235号称核火种，核火种意味着其内部蕴含着威力更大的元素。哪嘛裂变威力更大的环239便出自铀235之中。通过石墨反应堆，环239可以利用化学方法提炼出来。而采用内爆方式，就是让核原料裂变的效率更高，而且是在核原料数量减少的情况下达到最大的爆炸威力。
事后证明，胖子的爆炸威力，和铀235同等情况下，达到2200吨梯恩梯当量，胖子爆炸威力是小男孩的倍。由于长崎是山区，起爆点又偏离市中心，因此长崎投掷的原子弹尽管爆炸威力猛烈，人员伤亡要小于广岛。
美军b29轰炸机越过朝鲜海峡后直飞九州岛，日军的岸上雷达捕捉到目标，但是很快失去踪影。日本人惊慌失措的时候，飞机直接奔向长崎。担任这次轰炸任务的b29轰炸机绰号叫大货柜，指挥官是斯维尼少校。
除了10名机组成员外，还有雷达监视员杰伊克中尉。负责原子弹方面的是费雷德海军少校，菲克中尉和另外三名军官。这次出动的科学记录飞机叫大艺术家，摄影飞机叫大毒刺，名字起的很有艺术性。这两架飞机也是b29改装的。
8点20分，飞机到达长崎上空。在7点半的时候，长崎上空还是晴天，可是现在云雾开始慢慢积累，浓见度下降。百分之80到百分之90的积云覆盖了1800米到2400米高空。斯维尼少校命令采用雷达锁定目标，接近长崎市中心搜索目标。
可是雷达迟迟无法锁定目标，斯维尼果断命令采用目视锁定。“我们看到街道了，发现攻击目标！”瞄准手大声喊道。当时飞机是9000米高空，而长崎没有任何地面炮火。斯维尼命令手动操纵投弹。随即胖子被投下。
原子弹按照遐想的抛物线落下，飞行1分钟后，在距离市中心大约3000米的别墅网球场，距离地面上空500米处爆炸。按照原定目标偏离了方向，原定目标是市中心的中岛川常盘桥。目标偏离方向，同时意味着伤亡减少。
大货柜投完弹后，立即大幅度转身俯冲逃离核爆区域。投弹和爆炸的一瞬间，测量机大艺术家立即利用降落伞投掷了三个测量气压、气温等同的无线电高空测侯器。这些无线电测侯器在原子弹爆炸之后，向东飘移，三个测量器距离爆炸中心，最远地点13公里、最近地点11公里降落地面。