陶志纲(李健 饰)看的原来是美国投放原子弹的视频，而美国人时刻用原子弹在要挟中国，傅首长告知我们中国人自己也要搞一个原子弹，陶志纲不敢相信他认为原子弹没那么容易制造成功，而傅首长强调共产党人就是从什么都没有和不会到现在建立新中国，所以原子弹也不是不可能成功的，至于陶志纲的任务就是保护研究原子能的科学家们，他必须要脱掉军装潜伏保护，为了祖国不再受美国要挟，成为强大的军事国家陶志纲毅然脱下军装接受任务。
钟教授回国和研究所的老孟说起国内的科研条件与美国比对确实落后了一个世纪，但有这些归国的科学家的共同努力未来一定能赶超，至于林教授已经被成功营救不日就将回到国内。王怀民(李光洁 饰)在小摊上和小贩商量着买放大镜和干涉滤光片，钟教授对干涉滤光片也很有兴趣，就在王怀民和商贩交谈中被钟教授抢了先。钟教授带着宝贝找到方明将军，方将军告诉钟教授国家现在有一件大事需要他，但是他一旦接受的话就意味着在以后的若干年里要隐姓埋名消失在世界学术领域，要改变自己的研究方向，不能获取最新的学术的成果，不能成为顶级的科学家不能实现自己的科学理想，面对这些条件，钟教授沉思片刻，坚定地回答自己愿意，愿意以身许国，方将军和傅首长都很是激动，为了国家钟教授甚至改名为钟爱国。
陶志纲接受任务为研究所A所筛选审查工作人员，A所人员审查严格很多人都被拒之门外。王怀民也来应征，他知道A所就是研究原子能的机构，他表示自己在苏联留学是研究原子能物理的专家，自己了解很多关于原子能的情况，美国的核威胁加剧中国必须尽快有自己的原子能研究机构。王怀民一心想要进入机构，他的身家阶级都很清白，父亲是驻朝英雄部队的军人，哥哥在解放战争中牺牲，陶志纲决定把王怀民的情况上报领导。
A机构召集了更多从各地名牌理工大学的毕业生前来报道，黄凯华(朱铁 饰)抱着自己的孩子在大门处等待，还有从北航毕业的雷达专家丁向军(贺彬 饰)和哈工大毕业的彭雄飞(苏茂洋 饰)都应召加入，他们和许许多多受到召集的毕业生们闲聊，他们并不知道这个机构是做何方向的，但是必然事关国家机密，大家都有些兴奋。王怀民为争取进入机构拦截钟教授的车辆毛遂自荐，王怀民在中科院发表的论文钟教授都看过，他在原子能方面的研究成就钟教授很是欣赏，但是陶志纲怀抱对于王怀民的偏见阻挠其进入机构，无论钟教授如何据理力争都被其拒绝。
黄凯华因为老婆离开无音讯所以只能带着孩子去应征，在召开会议之前又把孩子寄放在医院里，对于无人看管的孩子十分为难。王怀民收到父亲的来信，母亲已经去世但是父亲依然在朝鲜继续任务无法回国，王父劝王怀民另娶良配照顾他和孩子的生活。加入A所的科学家们在陶志纲的带领下宣誓，严格遵守保密制度，承担保密国家机密安全的重要任务。宣誓完毕，钟教授拿出一块铀矿石展示给大家看，它具有核反应，在座的各位见到铀矿石都很激动，钟教授向大家交底，A所就是原子能研究机构，机构的研究方向就是原子弹，研究出属于中国自己的原子弹，为了祖国的强大和世界的和平与发展，这将是这个时代最伟大的工程，在座的各位科学家为此将奉献自己的青春。
王怀民回到家中，杨佳蓉(高露 饰)正带着小振理(何轩宇 饰)照顾小兔子，振理对于杨佳蓉的依赖非常深，王怀民也十分放心地将振理交给杨佳蓉照顾。历经几年钟心(徐晓璐 饰)终于回国，钟教授很开心女儿回到国内，父女两终于团圆，可以一起为国奉献。王怀民考虑再三决定自己来照顾振理，但是王怀民没日没夜研究、振理周末不用上幼儿园、振理生气耍脾气的时候，王怀民都无法很好地照顾好他，所以杨佳蓉根本没法放心，她不怕人家说闲话愿意照顾振理，除非王怀民愿意再婚，但这条已然行不通，所以还是由杨佳蓉来照顾。在中国核工业的研究过程中有很多苏联的科学家援助，帮助中国核工业走上起步阶段，但面对苏联专家的学术交流我国的科学家还是稍显不足。王怀民去找杨佳蓉时才知道她已经离开原来工作的医院。