陶志纲虽然拒绝了王怀民，但其后仍为科学家们申请高级通行证，这令组织上对他刮目相看，陶志纲的胸怀变得更加宽广，傅首长也很赞成陶志纲的提议虽然王怀民进所以来的表现很好但还是需要多多考察科学家们的社会主义信仰，可以暂时发放一些高级别通行证以作试验。陶志纲向组织请求处分被驳回，但是委派给他远赴他乡的新任务。钟教授将陶志纲为科学家们说话的事情告诉了王怀民，同时告诉社会主义的科学家要坚定信仰不为利益不为地位只是为了国家和人民，这些道理王怀民都很明白。

众人为陶志纲饯行，钟心和黄凯华想要做些好吃的给他，但食堂什么都没有，正好彩兰管理食堂，钟心和黄凯华哄着彩兰给寻摸点东西给陶志纲做好吃的，彩兰心里也很感谢陶志纲，于是找出一些野菜做出了吃的，安排在宿舍里给陶志纲践行。大家想要和陶志纲分别都有些不舍得，提及高级别通行证的事情，唯独丁向军没有他又有些不是滋味。彭雄飞对陶志纲说出自己对彩兰的真实感情，但在陶志纲眼里彩兰这么好的女人就是一些思想不彻底的科学家们最好的榜样。彩兰去医务室看见石红英，她坐在楼梯口防止有人越狱，正好钟教授就是那个要逃走的人，立刻被拦住又回到了病房。

彩兰是来找杨佳蓉送吃的，结果杨佳蓉不在，吃的都交给了石红英。陶志纲和众人喝的七七八八，说起自己在朝鲜战场上抓住美军俘虏，俘虏嚷嚷着要给中国扔原子弹的事情，自己在战场经过的了人间炼狱，几百个战士被烧成火人，到处都是人肉烧焦的味道，陶志纲对原子弹的心结就来源于此。从前陶志纲瞧不起科学家，但现在已经把大家当成了战友不离不弃的兄弟，王怀民和大家都很感动。彭雄飞提起钟心也要出差，黄凯华不禁猜测两个人出差的目的地是同一个地方。

黄凯华对书店的女收款员江水宁颇有好感，他特意到书店寻找江水宁。王怀民脚伤痊愈收拾东西却想等着杨佳蓉，但是面对石红英又不承认。黄凯华带着咖啡给江水宁尝试又给她讲咖啡的故事，江水宁想要学习高等数学努力考上大学，但是提起自学高等数学遇到困难，希望黄凯华可以辅导，令黄凯华激动不已。陶志纲远赴西部基地，深夜狂风大作，奋力加固帐篷的陶志纲被狂风卷进了另一个帐篷， 撞上钟心正在换衣服。

陶志纲一晚上都很心慌讲给战友听的时候也被一通指责更加不安。战友给她建议娶钟心对人家负责，陶志纲反应更加激烈。次日一早，陶志纲主动和钟心搭话告诉她基地没有可洗漱的水，又提出要送人家去中子源研究所，一路上还给人家科普沙漠环境， 陶志纲满脸悲愤地对钟心宣布要娶她为妻。面对陶志纲的“负责”，钟心哭笑不得，直接跳下汽车伤了钟心的腿。中子源研究所迎来了一批很好的材料，钟心的表现让研究所的刘所长和左队长很是满意赞不绝口。

陶志纲跟着钟心来到中子源研究所，钟心不想让陶志纲继续跟着自己生气地一直指责，但是陶志纲只认死理就要对钟心负责任，钟心无法劝动陶志纲只好生气离开。黄凯华教江水宁数学但是江水宁一直学不会让黄凯华有些控制不住情绪，但是江水宁没有生气是要求黄凯华对自己再严厉些才能学好数学。彭雄飞不想在食堂与彩兰见面情愿不吃主食。江水宁主动做好吃的饭菜作为学费，黄凯华吃了这么多年的食堂对于家常饭菜自然喜欢。

彭雄飞没有领取自己该有的口粮，彩兰下了班亲自给他送去，彭雄飞认为还是有必要聊聊两个人之间的关系，彩兰知道彭雄飞对自己没有感情但是就认死理，既然被彭家娶进门那就是彭家的媳妇，彭雄飞心里憋屈但是一口咬下彩兰做的包子就再也停不下来。黄凯华和江水宁说起王怀民的事情，在江水宁面前黄凯华承认王怀民比自己更厉害，天赋这种东西是无法超越的，江水宁却只崇拜黄凯华这样的科学家，她认为个人都在自己的岗位上尽力，最后让国家骄傲就行，不用计较谁更厉害。江水宁的话让黄凯华很开心也很宽心。

研究所里，数据汇总工作完成，研究进入新的阶段，也面临着新的难题。王怀民真诚的发言鼓舞了众人，告知大家基础理论已经完成要进入原子弹架构的研究当中了。只有丁向军神色不忿。但是不能阻挡大家继续研究的热情，每个人都各司其职计算着自己岗位上需要的数据。林教授给钟教授带了一个神秘的物件，打开却是珍贵的金属材料，钟教授立刻就要人给钟心送去。正好王怀民来找钟教授解决问题，钟教授就直接引荐了林教授给王怀民认识，林教授对王怀民的科学理论还是赞不绝口的。

王怀民在林教授的肯定下告知了现在研究室面对的问题，林教授建议王怀民将A所的一些计算任务分给华东所。王怀民也面临出差但是小振理没有人照顾，去问石红英她又嘚吧嘚吧一堆最后还是告知了王怀民，杨佳蓉回来的时间。杨佳蓉所在的研究所突发爆发可能面临核泄漏的危险，但是杨佳蓉要求全面参与核泄漏的排查和防护工作的收集，但是急救队长考虑到危险性极大不让杨佳蓉加入，杨佳蓉未得到允许的情况下直接进入现场拍照记录。

现场有一名同志遇险，杨佳蓉救护同志始终没有放弃，好在大家及时赶到杨佳蓉也安全走出现场。原来被救的那位同志是研究所的孟院长，大家都觉得杨佳蓉表现的很好得到了大家的一致认可。牛玲也感到很骄傲，杨佳蓉这才得知孟广阔院长是牛玲的爱人，并不像其他人传说的那样没有结婚，牛玲承诺以后会把杨佳蓉当作家人，问起杨佳蓉和王怀民的感情问题时，杨佳蓉有些逃避，但是牛玲告诉她不用逃避爱的问题，只有每个人都有幸福美满的家庭才能把更多的精力投入到工作当中，这一番话让杨佳蓉感触很深。

王怀民去上海出差，为杨佳蓉买了一枚蝴蝶胸针，而且提出了诸多的要求，他要求的工艺只有这家店的工人能做。钟心收到了钟教授寄给自己的原材料，打电话回复的时候按照陶志纲所说的暗语颇为搞笑和麻烦，陶志纲在电话结束之后突然掏出了一束鲜花再次向钟心求婚，钟心直接残忍拒绝这让陶志纲有些失落。陶志纲绝不气馁继续追求钟心，雷达却出现问题有不明飞行物在空中侦查基地。原来这种飞机是各类高射炮无法击中的，所以它能随意窥探我国的原子弹基地。

在做首饰盒的时候，王怀民注意到了手艺高超的工人陆大海。王怀民回到基地后向钟培林推荐陆大海，钟培林也被此人高超的手艺震撼，向领导申请将陆大海调到A所。黄凯华和丁向军因为一组方程又起了争执，王怀民几笔计算就否决了丁向军的算法，但是丁向军质疑如何才能简化算法提高效率，王怀民直接写出一个公式让大家计算，立刻得到了结果的认证，这让丁向军更加尴尬。杨佳蓉结束工作就要回家。杨佳蓉一回到A所，石红英就给她汇报了王怀民的事情。理论模型正在建构，可科学家们计算的结果与苏联数据之间始终存在差异。

杨佳蓉刚回所里收拾东西晚上又得离开，石红英却替王怀民道出了他想杨佳蓉的事实，杨佳蓉心里有些开心但始终没有作声。庞大的运算量令科学家为难，所里却只提供了算盘作为运算工具，好在科学家们有一股求知探寻和爱国的热情很快又投入到了工作当中。钟心要和钟教授沟通工作上的事情，但是陶志纲要事先编好暗语才能进行，至于钟心和父亲的私房话陶志纲不得不破例一次但要求监听随时停止，钟心把有人要强娶自己的事情和父亲说了，钟教授倒无所谓女儿的恋爱问题，钟心存心戏弄陶志纲让其吃瘪。

杨佳蓉带着振理等待王怀民，从白天到黑夜，然而繁杂的运算工作让王怀民忘记了时间。正好碰见彩兰来给张大爷送饭问起振理是谁的孩子，杨佳蓉找了个借口话题就转移到了彩兰留在所里食堂工作的事情。彩兰已经不对彭雄飞抱太多的幻想了，只想自己在这里好好活着，为国家奉献自己。杨佳蓉晚上要出差但是不知道什么时候回来如果见不了王怀民那就不知道什么时候还能再见。彩兰劝杨佳蓉去办公室找王怀民否则就要错过，杨佳蓉不肯。

大家计算的数据与苏联专家给的始终不一致，王怀民怀疑可能是苏联数据错误，还要求大家再继续计算。丁向军固执己见始终无法放开枪式的执着，对于王怀民多有不服竟然大发雷霆，对于丁向军的表现大家议论纷纷。王怀民鼓励大家钟心已经带领小组成员在西部建立了中子源，上海华东分所的同志们也在精确计算数据，大家都不是孤独地奋斗，要继续努力。杨佳蓉久等王怀民不来只好独自把振理送进了幼儿园，振理不舍得和杨佳蓉分开哭着哀求，但是为了工作杨佳蓉也不得不伤心离开。

大家每日都在为计算数据奋战，人手不足不得不征调大学生加入到基础计算当中。经过9次计算，结果全都一样，此时众人终于确信，是苏联的原始数据错了。原子弹基础理论构想报告大会召开，苏联和美国都断言中国在二十年内不能造出原子弹，但是不服输有骨气的中国人就是在艰苦的环境之下研究出了自己的原子弹理论体系。王怀民代表科学家作汇报说明，丁向军对王怀民仍然忿忿不平，王怀民对大家宣布理论构架完毕，原子弹制造工程终于可以开始。

钟心找陶志纲强调不要再纠缠自己，战友替陶志纲打掩护说其奉命去负责大部队到达的安保工作。彩兰要跟着大部队去西部基地支援，彭雄飞却突然有些不舍挽留的话始终说不出口。A所抽调精英骨干也要去西部，于是彭雄飞得知自己也要去。黄凯华顾着和江水宁道别，任务完成不了不能回北京也不能告知江水宁自己去哪，两人虽是不舍却可以通过信件继续交往。王怀民也要给振理办理转学了，带着他一起去西北读书。1962年二机党组向国家承诺会在1964或1965年完成原子弹制造，也就是这一年开始为原子弹成功形成了总攻势。

基地的同志热烈欢迎科学家们的到来，还准备了可口的饭菜。陶志纲席间不断避免钟心的眼神，彭雄飞又四处寻找彩兰的身影。席间有人浪费粮食，陶志纲见后把科学家们带到军人食堂，陶志纲让浪费粮食的科学家尝野菜汤，原来为了把粮食省给科学家们，战士们居然在喝树叶汤。科学家们吃的每一口粮食都是全国人民省下来的，不该浪费也不能浪费，大家触动都很大，把土豆和主食分发给战士们，但是战士们依然的推让，虽然分工不同但每个人的使命都很重要都想要更好的粮食。陶志纲把王怀民带至基地的河边见到了杨佳蓉。

陶志纲带王怀民去见久别的杨佳蓉，王怀民一时激动，突发高原反应。彭雄飞在排队领取物质的时候和黄凯华说自己强烈感觉到彩兰的存在，黄凯华宽慰彭雄飞基地这么大两人相遇概率低。很多同志都有高原反应就彭雄飞活蹦乱跳的收拾东西却突然听见彩兰的声音，彭雄飞呼喊一声小李来的果然是彩兰，彩兰能干的热心肠还在。此时基地正在大面积爆发高反，医院人满为患。基地条件恶劣，寒冷和饥饿成了两大难题。如果不能及时解决饥荒问题，日后造成的后果不堪设想，更何谈继续研究原子弹，但全国的形势都是如此严重也没办法。

钟心拦住陶志纲解释清楚两人之间的事情，陶志纲就是认死理负责任要娶钟心为妻。彭雄飞在王怀民面前嘚瑟自己的身体健康，杨佳蓉一来黄凯华就识趣地带走了彭雄飞，让杨佳蓉和王怀民单独相处。王怀民一看见杨佳蓉转身就走的原因是生气杨佳蓉离开没有留下只言片语，杨佳蓉直白说出自己没有照顾振理和王怀民的义务，自己也要完成自己的任务。王怀民不得不承认杨佳蓉的话，两人的谈话对之间的感情没有任何作用。彭雄飞从黄凯华处得知陶志纲向钟心求婚的事情，恰好被钟心听见。

钟心生气地不行不仅大骂陶志纲脑子有问题而且直接断绝了自己和彭雄飞的关系。李彩兰给大家做了床垫，彭雄飞虽然嘴上不承认，心里还是记得李彩兰的好意。西部昼夜温差大必须学习特有的睡觉姿势晚上才不会被冻着。王怀民病情稍微好点就回到了宿舍研究原子弹，从包里无意中掏出了要送给杨佳蓉的胸针，王怀民上次晕倒是因为要向杨佳蓉表白但真正面对的时候却又胆怯了。基地粮食储备见底，随之而来的大旱，使所有工作都进展缓慢，基地陷入没粮没水的窘境。李彩兰心里着急，开辟了一小块田地，试着种些粮食。

基地水资源越发难得清水很少，彩兰开辟的小块田地也不容易。黄凯华将彭雄飞带至菜田让他好好看看彩兰的辛苦付出，彭雄飞喊出做网捞小鱼的彩兰，两人之间的婚约他还是不想再提起，彩兰这么久以来也没有提过婚约，彭雄飞别别扭扭说出一句关心彩兰的话让彩兰开心地不行。基地一天就一杯口粮水彩兰也省下了倒在一个罐子里。

傅首长看到彩兰的小土豆田发出了小苗但是土豆长得并不好，不光光缺水问题还有土壤，傅首长建议彩兰往里面撒一点硫磺粉试试。研究基地试验出现冷凝器报警，看到实验室机器的U形管有冷凝水，王怀民灵机一动将同志们的口粮水灌入仪器降温，温度是降下来危机也暂时解除。杨佳蓉日夜操劳，还把最后的水给了病人，自己几近昏厥又没有水可以缓解。

钟心途中遇见老格勒也要骑马，虽然骑的不错却意外快要倒下时被陶志纲扶了一把，陶志纲担心钟心出意外。杨佳蓉晕倒时幸好王怀民出现，拿出了一瓶清水让她清醒过来。钟心拿口粮水给自己做清洁，这让陶志纲看不习惯提出批评，演示沙子洗手给她看，然后又脱下鞋子把脚埋进沙子里解乏，钟心被陶志纲一激也脱下鞋子学着把脚埋进沙子里，果然很舒服解乏，这个时候气氛很好陶志纲也唱起歌来。

王怀民背起虚弱的杨佳蓉路过科学家们挂着很多U形管的树木，这是利用昼夜温差收集一点点水分，王怀民答应多做些集水器也给医院一些。陶志纲将烘干的戈壁沙鼠肉哄骗钟心吃下又告诉其真相惹得钟心一阵恶心，钟心想出了不知道什么办法可以让陶志纲与自己扯平。王怀民要做集水器，其他技工都觉得难，陆大海及时接手，答应很快给王怀民成品。大海嘴硬告诉王怀民自己根本不愿意来戈壁这种没水没粮的地方，但是回到上海生活又回归平庸毫无理想平淡过完一生，而这个时代国家急需王怀民和大海这样的天才，燃烧释放自己为了让国家更好，大海认可王怀民的话转变了想法。

西部基地第一次爆轰试验，彭雄飞昏倒了，牛玲博士说这是最严重的急性高反已经引起了脑水肿。彭雄飞一开始没有出现高反但是突然集中爆发更加危险。王怀民托石红英带话给杨佳蓉要找她有事，石红英关心两人的进展又被杨佳蓉错开。经过救治，彭雄飞艰难脱险，他一醒来，就见到李彩兰端着药坐在自己床前。彭雄飞不是很想见到彩兰有点无奈还嚷嚷着要换护士，被石红英一口回绝留下彩兰继续照顾。

夜晚，杨佳蓉一个人留在实验室做防辐射实验，因为连续熬夜工作还把自己的饭票分给其他人，夜晚特别饿，突然发现书包里有一包饼干，原来是白天王怀民悄悄留给她的，杨佳蓉开心又感动忍不住泪水留下。U形管里的水积累的不错，王怀民向杨佳蓉透露自己小时候的梦想不是成为物理学家而是一名军人，在战场上报效祖国，但是哥哥在战场上牺牲让自己的母亲根本不让自己成为一名军人，王怀民为了家人只好继续学习深造物理，很幸运地遇见一位鼓励自己的老师让王怀民坚定走上物理的道路。

王怀民说出自己最真实的想法，信仰对于自己是有的，只是承接信仰的根基还没有找到，也许等到原子弹成功的那一天信仰就出现了。干旱越发严重，突然吹起一股怪风，雷达信号也异常，接着又突然发生地震。彩兰拼命去到医院让众人出跑，又背起彭雄飞冲出楼房，地震让一些同志受伤，紧急之中杨佳蓉跑回医院仓库，舍命护住仪器。王怀民为保护杨佳蓉受伤。陶志纲及时赶到救出被压住的杨佳蓉和王怀民，又带人抢救设备，钟心也帮助陶志纲运出设备。地震停止大家都很伤心惋惜设备和部分资料被毁，但是紧接着下起了大家期待已久的大雨令大家看到希望。

干旱危机终于过去，但也造成了巨大损失，还有同志为保护设备殉职，有些同志带着伤坚持工作，基地里士气低落。钟教授向大家说明有两位同志在地震中牺牲，找到他们遗体的时候是趴在设备上的，他们用年轻的身体保护珍贵的仪器，是伟大社会主义科学家。傅首长为大家鼓劲，告诉大家各行各业的工作人员，算起来全国还有几十万人在一起为原子弹事业战斗。同时毛主席、周总理和党中央对原子弹都抱有很大的期许，傅首长亲自去运送党中央特批的粮食，每个人大受鼓舞宣誓一定造出原子弹不辜负党和人民的期许。

河水刚涨起来食堂就给大家做了鱼汤，这还多亏了彩兰提前半个月的时间就将渔网下到河里，结果大旱过后必有大雨，大雨来临果然捞上了很多大鱼，傅首长对彩兰的精神很是赞许。彭雄飞因为彩兰的所作所为也有些触动。钟教授一来基地就去见女儿钟心，钟教授得知是陶志纲纠缠自己的女儿立刻就去找其谈话，陶志纲单方面追求钟心征求过傅首长的意见，傅首长建议钟教授不要过多参与年轻人的事情，钟教授就是担心陶志纲和钟心没有共同语言，傅首长一劝陶志纲顺杆子往上爬，但是最后决定权还在于钟心。钟教授被劝也决定放手。

基地组织文艺活动方明将军也来参与，大家都感叹文艺演出规格真高，而且方明将军的女儿也是表演中一员。彭雄飞和王怀民一起研究数据，王怀民并不想参与文艺演出，彭雄飞想短暂逃避科研问题去享受生活。刚落座没多久彩兰也坐到彭雄飞身边，彭雄飞好奇为啥不管自己在哪彩兰都能找到自己，彩兰倒不客气也不要彭雄飞感谢自己地震的时候救了他，还送给彭雄飞一双亲手做的袜子。钟心想搬去和杨佳蓉一起住，杨佳蓉调侃等陶志纲欺负钟心的时候自己可以钟心收拾。

陶志纲的目光就没离开过钟心，杨佳蓉看透一切，感情就是很奇妙，有时候不一定条件相当才合适，彭雄飞和彩兰就越看越合适了。杨佳蓉和钟心互相避开了自己的感情。王怀民在实验室计算，黄凯华在想念江水宁，每个人都有自己的心思。文艺表演完毕，文工团的最后保留活动就是为科学家们洗衣服，文艺工作者就是从群众中来到群众中去，为革命工作奉献自己的力量。方明将军对A所受到损失很是惋惜，但好在基地有同志们的这一腔热情在不怕这些艰难困苦的阻挠，再加上党中央大力支持原子弹事业，方明将军走之前将周总理给的唯一苹果给了钟教授，这唯一的苹果要让整个基地的同志们都享用。

彭雄飞和黄凯华带着科学家们在测量苹果体积讨论如何将其均分成两百份，可是王怀民提出整个基地上千人都在为原子弹做贡献，如何去分呢。大家陷入苦恼，还是彩兰玩笑似地说了一句不如将苹果挂在那让大家闻闻味，结果还真就从实验室开始每个地方轮着挂苹果闻味。王怀民组织的测算还没有突破，钟心的研究也陷入瓶颈。基地派出去运送粮食的老高没有成功将粮食运回，傅首长直言形势严峻，通过地图分析和一些妥善安排，他决定不顾危险亲自前往新疆押运粮食。

钟心和张来如约去往杨佳蓉的宿舍同住，哪知道王怀民一听说要来杨佳蓉的宿舍也跟着来送送东西，石红英带来了基地轮流的苹果，王怀民受到启发急忙回到实验室画图。彩兰则带着杨佳蓉和钟心去戈壁上找野兔子，而且种植的土豆也成功长大了，彩兰坚持不放弃的精神才是种活整块田地的重点。陶志纲饿着肚子挑灯自学物理，恰好被一墙之隔的钟心听到。陶志纲认为不能了解科学家们在干什么如何去保护他们，钟心感动于陶志纲的热忱，决定帮助他学习。

彭雄飞的实践数据和黄凯华计算的理论数据不对，两人发生争执，其实理论和实际必须联系在一起不可分割，两人才和好。杨佳蓉为王怀民做了一件防辐射材料的马甲，王怀民却说面临困境，杨佳蓉的实验进展倒还不错，王怀民不知如何度过现在的困境，而杨佳蓉他们心中的信仰并不能解决目前的问题，王怀民觉得应该在全所成立精英体制，并且希望杨佳蓉专注学术。杨佳蓉认为王怀民是希望自己成为第二个何吟薇，王怀民的思想离一个真正的社会主义科学家还有很长一段路要走。王怀民根本不知道什么是一名社会主义科学家。

原子弹研究基地粮食短缺，中央安排军队将一批食材和粮食尽快运送分派给专家和技术人员，傅首长在运送粮食的途中，车辆受损可能无法走出沙漠，车子不断搁浅粮食可能无法全部运出，傅首长指示无论如何都要将粮食运回基地。受到苹果外层果蜡的启发，王怀民想到在原子弹中加入反射层，进一步缩小铀球尺寸，这样不光能使原子弹释放能量加大而且可以缩小原子弹的材料用量。傅首长带队押粮遭遇风暴，已经丢失了几车粮食运送的同志们非常自责不舍得吃口粮，于是战士们只用骆驼草籽果腹将仅存的粮食省给科学家。钟心辅导陶志纲的学费就是一顿饭，两人约着晚上上课的事情被彩兰听见。傅首长押运的粮食终于到达，可以让基地的同志吃顿饱饭了。