Ещё до испытания первых атомных бомб специалисты Лос-Аламоса видели пути их дальнейшего совершенствования. К примеру, у плутониевой бомбы типа Mk.III «Толстяк», сброшенной на Нагасаки, можно было увеличить степень сжатия ядра и, следовательно, коэффициент использования делящихся материалов за счёт улучшения сферичности имплозии при переходе от 32-линзовой фокусирующей системы взрыва к 60-линзовой (имплозия — направленный внутрь бомбы взрыв вещества, окружающего плутониевое ядро, приводящий к сильнейшему его сжиманию и вызывающий цепную реакцию).

Другое направление совершенствования бомбы Mk.III было очевидным как для её создателей, так и для военных: «Толстяк» имел очень неудачную компоновку и форму баллистического корпуса с точки зрения аэродинамики. Для придания бомбе устойчивости на траектории необходимо было сдвинуть её центр масс максимально вперед. Для этого тяжелый ядерный заряд нужно разместить в носовой части бомбы, а более легкие блоки автоматики подрыва — позади него.

Формально разработка новой бомбы Мк.4 началась 2 августа 1946 г., когда в Лос-Аламосской лаборатории был образован специальный Отдел Z. Уже летом 1946 г. новые атомные заряды с левитирующим ядром и с составным ядром могли быть испытаны на атолле Бикини, но было принято решение использовать для испытаний заряды Мк.III. К тому времени уже стало очевидным, что довести в ближайшее время 60-линзовый заряд не удастся — эта работа требовала большого объёма экспериментальных исследований и трехмерных численных расчётов, для которых в Лос-Аламосе просто не хватало людей. Кроме того, 60-линзовый заряд затруднял компоновку бомбы: блок автоматики подрыва становился вдвое тяжелее, чем у 32-линзового заряда, что сводило на нет эффект от смещения заряда вперёд, а автоматики — назад.

В 1947 г. Комиссии по атомной энергии — новому хозяину Лос-Аламосской лаборатории — удалось возобновить работу в полном объёме. Лаборатории была передана авиабаза Сандия в районе Апьбукерка, где на основе Отдела Z был образован её филиал. В апреле 1947 г. начались испытания нового баллистического корпуса Мк.4. В июле был готов макет ядерного заряда новой бомбы, а в конце года — совершенно новый, лёгкий и компактный блок автоматики подрыва.

В декабре в Лос-Аламосе состоялось совещание, на котором ВВС США предъявили свои требования к новой бомбе. В основном они сводились к улучшению её эксплуатационных характеристик. Кроме того, военные настаивали на возможности установки ядра из делящихся материалов в ядерный заряд в полёте, что должно было существенно повысить безопасность взлёта и посадки самолёта-носителя.

Директор Лос-Аламосской лаборатории Норрис Бредбери согласился, что компоновка Мк.4 с передним положением ядерного заряда допускает такую операцию, но прежде чем принять окончательное решение, необходимо проверить это экспериментально, хотя бы на стоящем самолёте. Такой эксперимент с использованием одного из доработанных макетов бомбы Mk.III был успешно проведён 29 марта 1948 г. на авиабазе Киртленд-филд. Монтаж ядра заряда в бомбоотсеке В-29 занял 31 мин. С тех пор все американские атомные бомбы, начиная с Мк.4, были приспособлены для ручного или автоматизированного монтажа ядерного заряда в полёте.

Атомные бомбы США первого поколения.

Mk.I	Mk.III	Mk.4	Mk.6, Mk.13, Mk20
Mk.5	Mk.8	Mk.11 (Mk. 91)	Mk.12
BOAR	Mk.90 Betty	Mk.7