关东军司令山田乙三暴怒了，中共居然在自己的眼皮底下发展出这么大一股力量。他感到自己遭到了中共羞辱，他回到了长春，准备调集关东军主力进山围剿，山田乙三发誓要让中共东北挺进军不得好死。
正当他调兵遣将之时，脸色苍白的通讯兵给他送来了一封电报。他看了电报之后，脸色死灰，一屁股重重地瘫坐在了椅子上。手中的电报落在了地上，这是一份前关东军司令、现日本陆军参谋总长梅津美治郎发给他的电报，电报上赫然写着：8月6日，广岛遭美军原子弹轰炸，城市被夷为平地，国民死伤无数。
此时梅津美治郎处于极度的震惊、绝望之中。梅津美治郎曾提前就收到了情报，“特别情报部”截获B-29通信，已知其装载原子弹，但未发布警报。美军对日本本土的持续轰炸已完全摧毁其防空网络，日军拦截能力几乎为零。尽管美国曾警告可能使用新型武器，但日本高层误判其为常规轰炸，未意识到核武器的毁灭性。此前首相铃木贯太郎发表讲话，表示《波茨坦公告》对他们来说没有意义，并宣称“我们会持续战斗直到最后一刻”。
广岛是日本的陆军之城，是日本防卫本土的第二总军司令部所在地，所有前往中国、朝鲜、东南亚、南洋诸岛的日本陆军均从广岛起航。广岛附近还有着名的吴海军工厂，拥有日本一流的海军造船厂。广岛没有遭受过凝固汽油弹的轰炸，城市相对完整，美军把原子弹第一次轰炸目标定在广岛。
8月6日凌晨2点，三架飞机从马里亚纳群岛提尼安岛起飞。美军509行动小组正在执行原子弹轰炸广岛的任务，509行动小组由多名飞行员和气象学家组成。保罗·蒂贝茨上校驾驶着“伊诺拉·盖伊”号B-29挂载了一颗原子弹小男孩，克劳德·伊瑟利少校驾驶“同花顺”号F-13A战斗机先行飞抵广岛，以监测天气，确保投弹条件符合要求。查尔斯·斯维尼少校驾驶大艺术家号，负责观测爆炸效果，随行记录数据。
1945年8月6日清晨，同花顺号飞抵广岛上空，确认云层覆盖率低于30%，能见度良好，随后向“伊诺拉·盖伊”号发出轰炸指令。
“伊诺拉·盖伊”号一小时后抵达广岛上空，上午8时15分，机组将瞄准仪对准广岛市中心相生桥，“小男孩”被抛下飞机，从“小男孩”被投下到爆炸只有40多秒钟，“伊诺拉·盖伊”号全速逃离现场。
广岛防空警报早已响起，但很多广岛市民并未进入防空洞，而是在仰望美机。以前广岛曾频繁出现单个或小规模B-29轰炸机飞越，但并未造成实质性攻击，导致民众对防空警报产生习惯性忽视，甚至围观轰炸机，认为不会遭到真实袭击。?
原子弹在离地600米空中爆炸，立即发出令人眼花目眩的强烈的白色闪光，在巨大冲击波的作用下，夷平了方圆14平方公里内有6万幢房屋。驾机逃离的蒂贝茨后来回忆，他当时感到自己被铜制圆筒包围着，外面有人在用铁锤猛烈地敲击筒壁。
原子弹爆炸瞬间释放1万6千吨TNT炸药的能量，爆心温度达数百万摄氏度，处在爆心极点影响下的人和物，像原子分离那样分崩离析。在半径260米内留下了人体炭化后的“影子烙印”。离中心远一点的地方，在一霎那间被烧毁的男人和女人及儿童的残骸。更远一些的地方，有些人虽侥幸还活着，但不是被严重烧伤，就是双目被烧成两个窟窿。在16公里以外的地方，人们仍然可以感到闷热的气流。城市里钢铁结构熔化，树木焚毁。??卷起巨大的蘑菇状烟云，接着便竖起几百根火柱，广岛市马上沦为焦热的火海。爆炸当日广岛24.5万人口中，当场死亡约7.8万人，核辐射诱发的癌症以及其他并发症还将夺走超过十多万人的生命。
原子弹轰炸广岛后，日本政府仍拒绝接受《波茨坦公告》，官方通过广播和声明将爆炸归因于陨石或意外，而非承认遭受核打击。
国府很快就通过外交途径得知了原子弹轰炸事件，?《中央日报》在8月7日的报道中“原子弹”轰炸日本广岛，“威力不容轻视”?。8月8日《中央日报》用了整整一个版面来报道此事,其中包括了《投掷新型原子炸弹威力强大促倭崩溃倭不投降将遭空前毁灭》《广岛遭重大损失倭自承地面受创颇剧》《新哀的美敦原子弹倭难免无条件投降》《科学家估计原子弹之威力》等7篇文章。
苏联担心若不及时参战，将无法分享战后利益，因此于8月8日对日宣战。苏联外交委员会莫洛托夫当天接见了日本驻苏联大使佐藤尚武，正式通告苏联政府将加入波茨坦公告一事，并宣布苏联将从8月9日起同日本进入战争状态。我军在东北的行动，延安提前与苏方作通报。但莫斯科却并未将对日宣战之事提前与延安沟通。
常申凯于8日结束巡视川东回到重庆，他已得知苏军将于9日对关东军发起进攻，随即命令察哈尔杜聿明部主力进入热河，对日军发起进攻。提前进入热河的四个团的国军通过八路军控制区，向朝阳、阜新、沈阳进攻。常申凯没有料到局势发展的这么快，那个不知道的理由成为了现实。
9日美军对日本进行了第二次核打击，5架B-29轰炸机组成的突击队执行任务，原子弹“胖子”本来的首要攻击目标为小仓，但当地被云层覆盖，突击队选择将原子弹“胖子”投在后备目标长崎市。原子弹于当地时间早上11时02分，在550米的高度爆炸。爆炸瞬间释放2万吨TNT炸药的能量，原子弹摧毁长崎市60%建筑，约7.4万人死亡，2.5万人受伤。浦上河流域半径2.5公里内建筑全毁，三菱兵工厂等工业设施被夷平。??
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