陶志纲依旧梦见惨烈的朝鲜战场上战友们牺牲的样子，从梦中醒来还是紧张得很。研究所收到了一个写着“王收”的皮箱子，陶志纲万分警惕，隔离在草地上进行炸弹检测并且把王怀民控制起来，确定箱子安全之后彭雄飞第一个跑过去打开箱子，不想箱子装的竟然全是原子弹的相关资料，来信确定是安德烈给王怀民写下的一大段关于本心的话，安德烈相信中国有这批年轻的科学家就一定可以研制出原子弹。

大家都在整理资料和数据，得出来的模型更加详细，但是很多资料都被烧毁还需要大量的时间和人力来补足，王怀民提出的五号原材料研究已经被专家通过。钟培林宣布，为了记住撕毁协议和自力更生的这一个月，第一颗原子弹代号“596”。杨佳蓉已经准备出院，王怀民原计划也会去迎接生病的杨佳蓉出院，不料黄凯华等人在苏联的残卷里找到了一个宝贝，但是遇见了一个很难解开的方程式，他忍不住又拿起纸笔算了起来。杨佳蓉病才刚好就因为医院急诊科医生短缺而去帮忙，拜托朋友刘丽帮振理带回家，刘丽劝杨佳蓉不要再等王怀民，但是杨佳蓉还是喜欢着他。

王怀民等人计算方程式忘记时间直到天黑终于成功，他才意识到天黑自己还没去过医院。杨佳蓉正在医院急救病人。王怀民向钟心说出这几年都是由杨佳蓉照顾振理的事情，这次没能去成医院也没办法只能回头再感谢。王怀民和钟心在路上看见一个人默念牛顿定律的陶志纲，陶志纲不愿意被人看见自己在偷学物理，而且还是为了造原子弹，王怀民倒是想教陶志纲学习物理，但是钟心提议应该开个物理学习班让有兴趣的同志都去，陶志纲特别想去但是为了面子傲娇了一把，陶志纲针对照相机和留声机向钟心和王怀民道歉并要帮他们修理，两人赶紧离开。

A所的实验楼终于建成了，大家都开开心心地进入新楼拿着报道卡去各自的研究室报道，暂新的工作场所让大家惊喜得很，研究一室是基础实验室领头的实验室，彭雄飞更喜欢爆破实验于是分到了研究二室，钟心也想去二室却被彭雄飞阻拦，在彭雄飞的劝说下钟心还是决定留在一室。黄凯华不懂彭雄飞为什么要放弃和钟心独处的好机会，彭雄飞说自己不是一个徇私情的人，工作就是工作，而且让钟心了解自己的为人更贱能征服钟心，黄凯华一阵无语。

戈壁滩上罗布泊，战士们正在为建立新的实验基地而艰苦奋斗，迎着艰难的沙漠环境不停地劳作。团长王明山收到了儿子王怀民的家信，信中留了一张振理的照片，但是信件内容泛泛，信封上也只留了一个邮箱号，王明山怀疑儿子也在一个保密单位工作。王怀民到幼儿园见振理但是一见面，振理就问杨佳蓉在哪，但是王怀民也不知道杨佳蓉的去处。黄凯华和王怀民围绕原子弹“枪式”和“内爆式”的研究方向产生了激烈争执，众人僵持不下。钟教授也认为应该先搞枪式引爆的原子弹，但是王怀民提出反对，所里还有很多同志根本不懂得枪式和内爆式的区别，钟教授简单解释枪式威力较小内爆式威力更大。

钟教授解释完毕之后，陶志纲却突然站起来发言说自己觉得枪式不好，胆子太小的原子弹还叫什么原子弹，本来在原子弹方面就落后于帝国主义，既然要干就要干大的。钟心和陶志纲第一次互相认同对方。最终钟培林决定成立“枪式”和“内爆式”两个研究小组双管齐下，但是科学家自愿选择小组，整个一室只有四个选择内爆式，钟心很担心人少不足但是王怀民倒无所谓，钟教授透露上级会增派很多科研人员可以自己去争取。

扩招的新同志是各个单位的精英有一百零八个人，他们来到A所的这年开始中国自主研究核武器进入攻关阶段。杨佳蓉也进入了A所医务室。又到了枪式和内爆式两个小组争夺人才的时候了，钟心代表内爆组抢的火热，可是王怀民无所谓同志的选择，于是大家都选择了更为简单容易达到的枪式组，只剩下叶昆明被钟心强拉了过来，但是叶昆明很想选择枪式组，王怀民了解叶昆明的实力用专业的知识将叶昆明说到懵逼半推半就留了下来。

杨佳蓉一到医务室就被医务室主任挑剔，杨佳蓉并不服气，于是被牛玲打发去整理如山的医疗档案。幸好医务室里有位前辈石红英还能和杨佳蓉聊上天和她简单介绍医务室的档案为何如此混乱。叶昆明在内爆组十分不开心，内爆组人员少得让钟心生气，于是钟心划分界限各自比赛研究。黄凯华去买书莫名其妙和收银员有一段对话，似乎是隔壁的女收银员引起的。

杨佳蓉独自整理档案，夜晚王怀民因感冒到医务室取药门敲得很响，杨佳蓉出门查看但是档案要整理就错过了与王怀民的见面。杨佳蓉去询问石红英的时候已经能猜到是王怀民，急急匆匆出门去寻却又未见他的身影。爆轰实验场，彭雄飞始终冲在第一线，因为只有在刚爆破完毕就去收集数据才是最准确的，彭雄飞不顾个人安危让王怀民深受感动。杨佳蓉在食堂也不断寻找王怀民的影子却未发现。

王怀民等人始终在实验的第一线，但是内爆式的准备工序还是过于复杂根本就没有进入实验阶段，钟心和王怀民只好去搅炸药。搅动的炸药气味让人无法承受，但为了核弹的诞生大家依然坚持。一次次的实验得出的成品与所要的样子相差很远，实验再次失败，大家很是失望。钟心到医务室看见杨佳蓉生病站着打吊瓶关心几句，但是钟心的伤口引起了杨佳蓉的注意，杨佳蓉帮她开药。

钟心帮杨佳蓉整理档案，拿到的档案恰好是王怀民的，此时杨佳蓉正在整理其他档案，又一次错过了王怀民的信息。彭雄飞突然对黄凯华说波形实验一个月不达标就和他姓，大家一阵哄笑，又关心王怀民小组的进度，内爆组的进度缓慢，一方面是因为研究人才少一方面也是因为实在太过复杂所费时间要许多，王怀民不搭理其他人。于是他们的话题一会又聊到与钟心的感情进展上。

牛玲下班前发现档案室依然有人，随后看到了焕然一新的档案室，又看见生病依然坚守的杨佳蓉，她也很感动。枪式组的进度很快占用了内爆组的黑板位置，内爆组被枪式组包围根本无法讨论进度。牛玲因为杨佳蓉前一晚的表现对诚恳地向杨佳蓉道歉，并告诉杨佳蓉A所的研究方向是核武器。

王怀民在食堂里和组员讲解内爆式原子弹原理，但是五号材料推动和中子源等都是未知的，因为众多的未知都需要去探索，所以大家都有些丧气，王怀民认为自主研究原子弹就是需要从头开始。王怀民规划出了计算的重点和研究方向，给众人各自安排任务。叶昆明和组员李光华一起，而钟心和张来一组。大家各自领了任务去完成。牛玲和杨佳蓉完全坦白A所的研究方向和承担的任务，杨佳蓉觉得这样太过危险需要很多牺牲。牛玲喊住杨佳蓉仔细给她讲解A所医务室的任务，就是为了帮助这些科学家保护身体，防止辐射伤害大家，杨佳蓉听完之后愿意帮助牛玲一起。

杨佳蓉坐车赶去接振理，王怀民也急着赶车要被黄凯华喊住讨论内爆组的进度问题。可惜王怀民差了时间没能赶上公交车与杨佳蓉还是错过了。黄凯华又去到图书馆购买书籍，但是太过入迷研究数据和女收银员闹了个误会。王怀民终于赶到幼儿园和振理、杨佳蓉见面。三人一起开开心心地一起去玩耍，像真正的一家人一样又一起吃晚饭，杨佳蓉和王怀民提起自己调到了一个新单位而且也是保密单位，杨佳蓉有点暗示王怀民自己与他是一个单位的，但是王怀民否认了这个问题。振理开口喊杨佳蓉和王怀民爸爸妈妈，幸福的感觉在三个人直接蔓延，王怀民离开时振理抱着爸爸开心地汇报自己的科学课成绩最棒，有父母的感觉对于振理是很好的。

黄凯华在图书馆感受到了女收银员的爱慕之意也很开心。王怀民也在不停地回想振理的话，直到钟心喊他一起去401所。401所很大里面每个人都在做着实验，傅首长对钟心和王怀民说这个研究所很大，但是是专门为原子弹服务的，这是国之重器，而这个核反应堆等着钟心和王怀民有任何研究成果就可以真正发挥作用。王怀民和钟心热血沸腾不断地实验，医务室的同志们也不断在学习医学知识希望能保护到科学家们。钟心和王怀民做实验时意外突发，铀泄露，但是剂量可能较低，王怀民吸入辐射气体被紧急送入医院。

王怀民与杨佳蓉终于见面，杨佳蓉为王怀民检测身体辐射剂量，杨佳蓉却斥责王怀民忽视安全，根本没有考虑振理的感受，也因他研制武器而难过。王怀民着急知道自己到底有没有剂量过度要回去做实验，但是被杨佳蓉再次斥责留下休息。枪式组陷入瓶颈，由于设备落后等原因研究没有进展，当量过小让黄凯华隐约怀疑研究方向是不是有问题。幸好王怀民的身体没有受到辐射的损失，但是他一得知自己的情况就立刻要回去工作，正说着，钟心到医务室找王怀民问情况，等王怀民离开之后，杨佳蓉将王怀民的药给了钟心嘱咐其盯着王怀民吃药。

枪式组的几组实验结果已经出来，但是数据都很不对劲，丁向军有点不在乎最终的原子弹效果只想完成任务，黄凯华自然不能同意，不说原子弹效果完全不如美国，而且高浓缩的五号材料贵的惊人，不能再给人民和国家添负担，大家虽然有些泄气但在丁向军的鼓励下还是打起精神继续努力。钟心忍不住向王怀民打听他和杨佳蓉的事情，这时彭雄飞大喊着闯进来询问钟心的伤势，知道发生意外的是王怀民，彭雄飞顿时安心。大家发现彭雄飞因为过度实验，已经产生阵发性耳聋，彭雄飞却毫不在意自己的耳朵，高兴宣布全国最好的炸药已经配制成功，彭雄飞全程都很激动而且不暗藏自己对钟心的心思。

钟培林兴奋宣布，五院的科学家们已经成功发射了第一枚导弹，大家既为此兴奋又感到压力。傅首长鼓励在座的各位再接再厉，国家和人民等待着原子弹的出现。王怀民变得很奇怪按时按点地去医务室报道检查身体，还特地询问杨佳蓉在不在。黄凯华自从上一次收获女收银员的小小爱慕之意之后再次去到图书馆打算和女收银员搭话，犹犹豫豫不敢上前。

王怀民再次去医务室体检特意向石红英打听杨佳蓉是否在岗被杨佳蓉听见。黄凯华到图书馆想再次找女收银员搭讪，扭扭捏捏想要和人家说好却没办法搭上腔。王怀民走在路上没看路被人撞伤正好遇见因为计算数据没小心道路受伤的黄凯华。陶志纲因为王怀民受伤着急去找医生帮忙看病，哪知与杨佳蓉遇见两人互认，石红英给杨佳蓉介绍了陶志纲是所里的大黑脸。等石红英走后，陶志纲提醒杨佳蓉王怀民也在这里上班，等会看病不要给好脸色。杨佳蓉和陶志纲说了这些科学家频繁受伤的原因可能是因为吃不饱饭导致注意力下降。

正说着呢，彭雄飞因为耳聋被梁星强行押来医务室检查，四人组就差钟心未来，哪知道钟心也因为建模打瞌睡受伤来了医务室，四人齐聚医务室，被杨佳蓉教训几个人哪像科学家连自己都无法照顾好。四个人热热闹闹地说自己怎么受伤的，杨佳蓉却一个人陷入了深思。杨佳蓉不知道怎么面对王怀民，王怀民却开导其如果祖国拥有了原子弹，那么就没有人敢投放原子弹，在美国人眼里中国是绝对不能崛起的所以才会拼命打压中国的发展。一旦中国拥有核武器，美国就会忌惮中国，就会更加权衡原子弹的使用。杨佳蓉终于解开心结明白了中国拥有原子弹的重要性，也更能理解这些科学家的奋不顾身。

彭雄飞还是很感动钟心送给自己的耳包还想着要给她开小灶作为感谢。杨佳蓉认为王怀民有所改变比以前更有耐心和自己讲解这么多，说着大家都来了，还调侃杨佳蓉和王怀民单独聊天，杨佳蓉玩笑似地整治黄凯华和彭雄飞下星期再出院，这两人吓得赶紧讨好杨佳蓉。傅首长和陶志纲交代上级为了照顾科学家从外地调粮，所以所里除了科学家之外没有人能多吃口粮。钟心有点郁闷王怀民和杨佳蓉的感情，和彭雄飞聊天时问是不是所有的男生都喜欢像杨佳蓉那种温柔细心的女生，彭雄飞喜欢钟心自然开解，表示自己就是喜欢努力奋斗独立的女生，哪知道陶志纲就在身后听着突然冒出一句中国男人就是喜欢温柔细心的女生，把钟心气到不行直接怼回陶志纲然后生气离开。

杨佳蓉告知住院四人组可以出院，大家都兴奋地不行可以回去继续研究，杨佳蓉祝福大家可以早日研究出原子弹。彭雄飞好心问黄凯华需不需要自己帮忙实验验证理论，黄凯华和丁向军不好说出组内面临的问题。那么彭雄飞的研究二室就会向困难重重的内爆组倾斜。丁向军和黄凯华针对枪式组的问题展开激烈讨论，丁向军忽略原子弹实用和多种效能直接更换剂量制造更大当量的原子弹，而黄凯华十分犹豫。彭雄飞一出院就去找理发师修剪发型，对着镜子目不转睛。内爆组在激烈讨论冲击波的变化问题时，彭雄飞突然冒出来和大家提议可以用镜子的原理来继续研究，而王怀民针对镜子原理进行了深化分析运用高低两种炸药做成。内爆组进展不错，这让黄凯华有些着急和难受。

黄凯华一个人在院子里发呆遇见钟教授，钟教授关心黄凯华有无遇上什么问题，并且安慰其枪式原子弹经过了几位老同志的一致同意，所以都对其抱有很大的期望，所以会在所里召开一次扩大会议把老同志们再次请来决定研究的最终方向，要黄凯华好好准备汇报。彭雄飞又在实验的第一线交代组员如何试验爆破，这一次的爆破已经为未来爆炸出更大的蘑菇云迈出了第一步。黄凯华因为要在扩大会议上为枪式原子弹做汇报而感到很大压力，慢慢走着却去到了图书馆和女收银员见面。

彭雄飞开心地洗好头发和丁向军借了西装就要出去。黄凯华却和女收银员漫步在小路上聊天，因为职业的保密性不得向女生透露自己的研究方向，女生主动向黄凯华介绍自己叫江水宁，而且自从那次黄凯华向自己递过来一张写满数字符号的纸而觉得黄凯华是个很厉害的人，江水宁很崇拜黄凯华这样为人民奉献的科学家，得到了江水宁的鼓励让黄凯华很感动很开心。两人分别时还有些不舍。钟心得到了学术扩大会的消息，这就是一场学术辩论大会。因为爆破实验取得阶段性的成果，所以彭雄飞捧着花打扮正式向钟心告白，而且压根不听钟心的解释一直表白心意，在表白关键性时刻，陶志纲却带着彭雄飞的未婚妻到来了。

彭雄飞看着迎面走来的衣着破烂情绪崩溃痛哭的女人不敢相认，是他的未婚妻彩兰哭着栽倒在彭雄飞的怀里。彩兰走遍了大半个中国才通过组织指点找到了彭雄飞，彭雄飞的奶奶因为把最后的口粮接济村里的孩子而去世。彭雄飞感谢彩兰照顾自己的奶奶不断给彩兰磕头，但是不想和彩兰结为正式的夫妻，彩兰说奶奶千叮咛万嘱咐要照顾好可以成为大科学家的彭雄飞。彭雄飞听完之后只知道痛苦而再也说不出话来。陶志纲和钟心站在门外看着里面的一切，陶志纲给钟心讲述了彩兰一路上走来发生的一切有多么不容易，没有文化愣是辗转大半个中国，忍饥挨饿伤痕累累才找到彭雄飞。

钟心也很感动彩兰姐的经历，感叹彩兰才是彭雄飞的天作之合。一番安排之后，彩兰换好衣服整理好一切由杨佳蓉带出A所进行安顿，彭雄飞根本不想彩兰留下，但碍于陶志纲劝说还是接受了彩兰留下的事实。彩兰一心向着彭雄飞，连所里给她的口粮也省出来给了彭雄飞。彩兰走之后彭雄飞满脸不开心回到了宿舍，正碰见黄凯华和丁向军在商量枪式组在扩大会议上发言的事，两人让彭雄飞避开还调侃了他。黄凯华接过丁向军给的枪式组研究定稿，还是坚定地说出了让枪式组所有同志放心的话。

第二日扩大会议开始，丁向军信心十足的作出了阶段性研究成果的汇报，钟教授表扬了丁向军和钟心的发言，肯定两组都有一定的成绩。轮到各组组长发言的时候，黄凯华犹犹豫豫最终说出国家第一颗原子弹的结构应该选择内爆式，枪式组的同志听完之后议论纷纷，黄凯华还是坚定地说出内爆式所有的好处，两个方案都切实可行的情况下，应该选择更好的。因为枪式组当量不足，耗费了国家大量的财力物力，所以不能继续浪费国家的物资而应该让更有所为的内爆式成为继续研究的方向。大家都佩服于黄凯华尊重科学事实的大将风范。钟教授在大家鼓掌之后开始发言总结，表扬黄凯华的不容易能战胜私心和自我荣誉，为国家而做出正确选择。

黄凯华却有些不好意思接受表扬，钟教授最终宣布确认原子弹研究方向为内爆式，之后将研究一室的所有人力都投入到内爆式的研究中。大家都认同了最终的决定只有丁向军一直愤愤不平。会议结束之后，彭雄飞找到钟心想要解释彩兰的事情，但是钟心根本不在乎还大方祝福了彭雄飞。彭雄飞想要彩兰回去已经给她找好了校工的工作，彩兰不想离开只要留下照顾彭雄飞，彭雄飞坚定地说出了与彩兰不是夫妻的决绝之话，两人的婚约是封建社会留下的糟粕，以后会把她当作亲姐姐而不是妻子，彭雄飞扔下生活费就离开了。彩兰心里哭也没有放声痛哭只是闹不明白为啥彭雄飞要抛弃自己。

黄凯华独自对着黑板上枪式组的总结发愣，最终擦掉了所有的理论。王怀民表示自己没有勇气作出和黄凯华一样的决定，但是就是国家的存在就能让人忘了自己只想着国家的利益，王怀民和黄凯华握手心心相惜。杨佳蓉去宿舍找王怀民问彭雄飞的事情，请王怀民帮忙劝说彭雄飞不要欺负彩兰，王怀民不好劝说因为彭雄飞非常痛恨这种封建，如果强让两个人在一起那可能是悲剧的开始，彩兰和彭雄飞不能互相理解。杨佳蓉以为王怀民的意思是只有科学家和科学家才能在一起，伤心离开。

钟心决定召开舞会鼓舞大家志气，陶志纲在实验室找到王怀民抓来一起参加舞会，陶志纲刻意躲开钟心，钟心逼问陶志纲为何躲开自己，陶志纲说了几句理由就赶紧避开钟心溜进了大厅。钟心找到工作的王怀民要与其一边舞蹈一边讨论中子原理的事情。在一旁看着的彭雄飞很是难受，但他坚持钟心对自己是有误会的，彭雄飞已经要送走彩兰对钟心当然不死心。彩兰也很不舍得离开，杨佳蓉本来打算去舞会找王怀民结果看见和钟心共舞的王怀民，于是只留下字条让陶志纲转交。钟心直接问王怀民对杨佳蓉的感情如何，得不到回答之后直接对王怀民表白，王怀民还是拒绝回答，然后钟心也生气离开了。

钟教授在舞会给大家作出总结，原子弹研究过程中还存在许多难关需要突破，即使是这样，难关最终可以度过，因为原子弹罗布泊研究基地就要建成，这项壮举是全国人民和毛主席都在看着的，必须要有信心完成。丁香局喝醉酒询问黄凯华为什么要放弃枪式，那么多同志没日没夜地研究理论，是黄凯华说放弃就放弃的嘛，丁向军始终无法理解黄凯华背叛枪式的原因，丁向军只在乎最终原子弹成功荣誉没有自己，黄凯华劝说丁向军不要太在乎个人荣誉，但是丁向军根本无法放弃自己的前途和地位这让黄凯华很是失望，丁向军已经在歧路上无法挽救。

舞会散场，陶志纲将杨佳蓉留下的字条交给王怀民，原来是振理高烧住院。钟心因为王怀民对自己的态度有些伤心在陶志纲面前红着眼让陶志纲有些奇怪。王怀民匆忙赶到医院，看着杨佳蓉被雨淋湿却依然照顾振理，急忙拿毛巾为她擦拭，举手投足间情意暗显。振理生病需要陪床但是王怀民没有时间，杨佳蓉再一次主动承担，王怀民感谢杨佳蓉这些年为自己和振理的付出，这些也是别人无法替代的。杨佳蓉说自己一直在研究辐射防护，有一天也能成为科学家，王怀民坚信不疑。王怀民对杨佳蓉产生了感情但是却害怕爱上别人的那一刻何吟薇在自己心中消失。

钟心向父亲钟教授求助关于中子源研究的材料问题，钟教授近期出差中可能可以给钟心带回，但是当钟教授问起钟心与王怀民的问题时，钟心避开了。杨佳蓉向牛玲请求去最艰苦的地方实习，但是牛玲考虑到杨佳蓉太过年轻不放心其去冒险，但在杨佳蓉的再三恳求劝说下还是成行。彭雄飞在食堂遇到身穿工作服的李彩兰，这才知道李彩兰竟然留在了A所食堂上班。彭雄飞质问彩兰为何会在食堂，留在A所工作是陶志纲安排的，还鼓励两人谈恋爱，彭雄飞被彩兰的一番话说的无语，旁的人还让彭雄飞早日把婚礼办了。张来因为被撞工作包被特务掉包。

特务“信鸽”潜入实验室窃密，钟心正好去实验室工作，时间过了许久钟心依然没有完成计算，特务心急打算刺伤钟心，正巧王怀民来找钟心正好瞥见特务留在桌上的张来的包，意识到可能是有坏人潜入，要拉走钟心却被特务阻拦，搏斗中王怀民为保护钟心受伤，幸好陶志纲及时赶到抓住特务。随后封锁全所不容许一个人外出，严格检查证件，审问特务抓住同伙张炎却被其服毒自尽。钟心盯着受伤的王怀民让其很不自在，本来已经对王怀民心如止水的钟心因为这件事情对王怀民再次爱慕，王怀民还是无法思考感情问题。

王怀民从石红英嘴里得知杨佳蓉出差但很快会回来，钟教授被特务袭击也受伤入院。特务事件虽然没有造成太大损失，但陶志纲得知特务“古扇”潜伏北京伺机而动。这些特务都是在大学时期就埋下的棋子，傅首长教育陶志纲不能像上战场打仗一样，要学会像科学家一样思考问题，陶志纲愿意为这件事情承担处分。钟教授中度脑震荡但是不想住院耽误出差时间也不想转院治疗。

钟教授留住王怀民和钟心特意撮合二位的事情，王怀民以原子弹原理作为例子说明自己与钟心之间的不可能，钟心完全明白王怀民的心意。没有更换新通行证的彭雄飞险些被卫兵当成特务，好在黄凯华及时为彭雄飞解释这才被放行，接着又给彭雄飞解释新证的事情，新的通行证制度保障安全的同时，又给科学家们带来了麻烦。王怀民找到陶志纲要求更换高级证件可以全所通用，被陶志纲拒绝。钟教授也对傅首长提出了新证件的缺点部分，但是所内根本原则是信仰问题，所以不能放宽限制，大家都在苦恼时陶志纲却主动提出信任王怀民。