在杜魯門總統的大力支持之下，7月16日美國第一顆原子彈在內華達州起爆成功。桔黃色的蘑菇雲升起之後，杜魯門立即看到了快速結束戰爭的希望，他決定採納史汀生的建議。美國陸軍航空兵的核突擊部隊——第509混合大隊被派往太平洋的提尼安島執行這次非同尋常的任務。這個馬里亞納羣島之中的大島是美國花費了大量的士兵生命才奪得的。之所以沒有從更加近的中國起飛轟炸日本，那是因爲杜魯門擔心原子彈的秘密被暴露出來。
9月10日凌晨，3架先譴氣象偵察機提前1小時從提尼安基地升空，分別飛抵廣島、小倉、長崎上空，他們的任務是偵查哪個城市的氣象條件最適合轟炸以及觀察轟炸結果，畢竟這是人類第一次將原子彈用於實戰。隨後在當地時間3點，蒂貝茨上校駕駛“埃諾拉.蓋伊”號起飛，斯韋尼少校和馬夸特上尉駕機尾隨其後。“埃諾拉.蓋伊”號安全升空後，隨機核武器專家帕森海軍上校從座艙爬進彈艙，給外號“小男孩”的核彈安裝“槍式”引爆裝置，使它進入了戰鬥裝態。飛機以每小時300公里的巡航速度，在無戰鬥機護航和嚴格無線電靜默的情況下，於5點45分飛抵硫磺島上空，組成三角形編隊，向西北方向繼續飛行。2個多小時後，它們爬升至10000米高空，以每小時525公里的航速，神不知鬼不覺地向日本飛去。
9月10日上午7點9分，廣島地區日軍第二軍總司令部發出警報，雷電式戰鬥機迅速起飛，將美軍偵察機趕走。7點半解出警報。廣島市內車來人往，絡繹不絕。就在這人們感到太平無事的時刻，蒂貝茨上校接到前方氣象偵察機發回的電訊，廣島上空的雲量爲“二”，“目標清楚”，完全適於目視轟炸預訂的主要目標。他當機立斷，實施原計劃第一方案：轟炸廣島。
蒂貝茨駕點12分飛抵離目標約24公里預定投彈識別點，未遇炮火襲擊，也沒有見到敵機起飛攔截。他們俯瞰廣島，只見工廠上空清煙嫋嫋，水面上船舶蠕動。就在這瞬間，他們找到了預定瞄準點——廣島市中心的“t”字形大橋。
“注意，戴上防護鏡，各就各位，做好最後準備。”蒂貝茨提醒他的同伴。8點15分，他們抵達目標瞄準點上空。觀測機上的測量操作手做好了測量準備，原子彈的投彈手向各機發出了30秒投彈準備信號，並打開了彈艙門。信號一結束，“小男孩”跳出彈艙。此時，斯韋尼少校在蒂貝茨的右翼，間隔至多10米。他親眼目睹“小男孩”跳艙的身影，心想：“它自由了，像一隻斷了線的風箏，不管它工作與否，無法挽回了，如果工作正常，它可能將戰爭結束。”蒂貝茨和他的同伴們做完一切後，趕緊調轉機頭，加速撤離現場。
“小男孩”像一個幽靈，徐徐下降。53秒後，它突然兇相畢露，一聲驚天動地的巨響，廣島上空出現了一個五光十色、光芒四射的火球。原子彈爆炸後形成的蘑菇狀雲團，爆炸產生的氣流、煙塵直衝雲天，高達12英里多。機上所有人員都看到了這個形如“膽囊”的火球懸在長崎上空，從“膽心”向上噴出沸騰的“膽汁”，行成一條巨大的彩虹。
幾分鐘後，“埃諾拉.蓋伊”號從離原子彈爆炸24公里處，悄悄返航。馬夸特上尉駕着偵察機等了一會兒，拍完了幾個驚心動魄的鏡頭——世界軍事史上第一次核戰爭的照片後，也返航了。歸途中，核武器專家帕森海軍上校向正在提尼安基地的“曼哈頓工程”副指揮官法雷爾准將發了一份密電：“目視一清二楚，突襲圓滿成功，投彈後機上情況正常，現正在向基地返航。”
蒂貝茨上校駕着“埃諾拉.蓋伊”號，首先在提尼安基地北機場着陸。他帶着全體機組人員走下飛機，向等候在這裡的陸軍戰略空軍司令斯帕茨上將行了個軍禮：“報告將軍！我們完成任務回來了！”斯帕茨隨即給他掛上“服役優異十字勳章”。
次日凌晨，即原子彈突襲時後，杜魯門總統發表聲明，警告日本政府，“這是原子彈”。並敦促日本政府立即投降，否則將遭到“來自空中的毀滅”。美國武裝部隊電臺馬上對日廣播，“原子彈已把廣島摧毀，更多的原子彈將接踵而來”，並向日本空投了數百萬張傳單向日本發出警告：美國最新研製成功的“一顆原子彈的威力就相當於2000架b-29巨型轟炸機執行一次任務所攜帶炸藥的威力”，“你們趕快結束戰爭”，否則“我們將堅決使用這種炸彈和所有其他超級武器來加速結束戰爭”。
原子彈投下後，爲了促使日本儘快投降，駐紮在青島的美國第21轟炸航空兵聯隊司令李梅將軍連續兩天派出152架和375架b-29轟炸機對日本城市發起更猛烈襲擊，但美國人的促降申明卻沒有得到迴應。那是因爲日本政府隱瞞了廣島遭到轟炸的情況，美軍的廣播遭到了日本政府的干擾，傳單也很快被憲兵收繳而去。在這種情況下，美軍決定發動第二次原子彈襲擊。
5架b-29轟炸機組成的突出隊準備執行密碼代號爲“16號特別轟炸任務”。斯韋尼少校駕駛載有原子彈的“博克斯卡”號轟炸機，機上增加3名核武器專家，負責原子彈引爆系統的安全保險工作；博克上尉駕駛“大技師”號觀測機，《紐約時報》記者勞倫斯隨機負責報道工作；霍普金斯中校駕駛“大斯廷克”號照相偵察機；88號飛機和95號飛機負責氣象偵察任務。
不過這五架飛機在飛臨長崎上空的時候運氣卻不怎麼好。廣島遭到轟炸後，日本政府立即將部署在日本本土西面的大多數先進戰鬥機轉移到了東南沿海，因爲美國人的原子彈轟炸機是從這個方位來的。所以斯韋尼少校的飛機很快就遭到了攔截，這個時候甚至他們還沒有飛近海岸線。在晨曦之中，斯韋尼少校看見數架日軍的雷電式戰鬥機加速爬升，衝着自己而來，他連忙命令其他四架飛機飛到前面，結成緊密的陣型，希望用他們機上的自衛火力抵擋一陣，而自己則需要帶着彈艙中珍貴的貨物返回。
斯韋尼少校不知道的是，他彈艙中的原子彈已經註定不能退貨。爲了防止出現意外原子彈被日軍繳獲，在登上飛機之前，原子彈被安裝了一個特殊的裝置，只要上升到8000米以上，這個裝置就會發生作用，如果高度低於500米原子彈還沒有被引爆的情況下，這個裝置就會引爆原子彈。機上的核武器專家是知道這個設備的，於是當斯韋尼少校成功擺脫追擊的日軍戰鬥機之後，他力勸斯韋尼少校將原子彈丟在大海之中，千萬不要冒險帶會提尼安基地。不過斯韋尼少校所接到的命令可不是這樣的，他知道機艙中這枚大傢伙的重要性，是怎麼也不可能將其投在茫茫的大海之中的。
碰巧的是，斯韋尼少校機上的無線電和電報都在剛剛的戰鬥中被雷電式戰鬥機的機炮給損壞了，所以他並不能從總部得到任何指導。這種情況下，斯韋尼少校堅持飛回基地，而在過程中，核武器專家嘗試破壞原子彈的行爲被機組成員制止而被反綁到座位之上，還堵住了嘴巴，斯韋尼少校相信他們一定是某個國家的諜報人員，準備將其帶回去立功。
提尼安基地的“曼哈頓工程”副指揮官法雷爾准將一直沒有收到行動成功的消息，他坐立不安，按照時間，這個時候轟炸機都應該返航了，但是無線電中卻靜悄悄地。當雷達報告有一架大型飛機靠近的時候，提尼安基地的指揮官派出了兩架戰鬥機前去觀察。結果發現是外表傷痕累累的“博克斯卡”號轟炸機。透過轟炸機的駕駛艙，斯韋尼少校指了指自己的耳機，示意機上無線電損壞了。戰鬥機飛行員向基地彙報了情況，基地已經準備好接受，而這個時候法雷爾准將才獲知返航的飛機是那一架，他的心裡面開始有了不好的預感。
由於無線電失效，法雷爾准將並不能判斷這架飛機的貨物是否已經釋放，但是他自己安慰自己有三名核武器專家，知道核彈保險開關的秘密，應該不至於帶着核彈返回。不過遺憾的是，在飛機下降高度後，它突然變成一個炙熱的火球，瞬間席捲了提尼安島上的一切。飛機和建築物被吹入大海，人和動物則原地蒸發。幾天後穿着防化服登上提尼安島的美軍發現這裡就像被海嘯襲擊過一樣，再也看不到原來的半點痕跡。提尼安島上發生的事情被當作了軍事機密，那些美軍則被登記爲失蹤人員，提尼安島也被列爲了禁地。
因爲美國這幾年提煉出來的鈾只夠組裝三顆原子彈，其中一顆用於實驗，一顆在廣島爆炸，一顆在提尼安島爆炸，這使得美國在一段時間之內都沒有原子彈可用了。
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