第1集：钟培林回国被美方刻意阻扰 王怀民遇袭妻子何吟薇难产逝世
二十世纪五十年代初期，新中国一直被笼罩在核恐吓的阴云下。美国多次依仗原子弹妄图压制中国。1955年1月15日，在毛泽东主持召开的中共中央书记处扩大会议上，决定建设原子能工业。至此，中国开始了研制核武器的艰苦却伟大的征程。
美国。钟培林引用华罗庚曾经用过的一段话，向自己的同僚表达了自己想要回到国内，为祖国的现代化建设贡献出力量的决心。虽然这些美国科学家极力的挽留，可是钟培林仍旧觉得身为一个科学家，理应为自己的祖国效力。
晚上，钟培林在家中整理行李时，他的女儿钟心回到了家里。钟心对于父亲抛弃这么久以来的研究成果回国的决定非常不理解，不明白父亲为什么放弃一个将名字写入物理研究史、冲击诺奖的机会。钟培林告诉女儿，祖国的强大是无数个零前面的那个一。如果没有祖国，任何人权、学术都是空谈。
收拾好行李，钟培林就来到与几个爱国科学家约定的地点，要跟着他们一起回国投入建设。面对这种被美国监视的情况，林教授相信总有一天中国的国民可以正大光明的出现在任何一个地方。可就在这时，电话突然想起，原来得到消息的美国警察找上门来。为了掩护其他人离开，林教授只能抓紧时间写了一封信，拜托钟培林带给方明先生，而自己留下来应付警察。
钟培林一行人在登船的时候，遭到美方的严格盘查。林教授让钟培林转交给方明先生的信件，也被美国人搜了出来。钟培林谎称只是一封普通的家信，可是对方根本不相信，还要找来翻译。好在的是，前来翻译的人正是钟心。钟心接过信件，把自己的心里话编造成信件内容翻译给美国人，实际上却是要将这些说给一旁的父亲听。钟培林这才知道女儿是非常支持自己回国的，还特地考入了美国的移民局，就是为了帮助像他这样的科学家顺利回国。父女俩站起码头依依惜别，约定不久后在国内相见。
苏联。王怀民和妻子就读的学校的校长找到两人，希望他们可以继续留在苏联从事研究工作。苏联政府会为他们解决国籍问题，并且邀请他们加入苏联国家科学院。可是王怀民还是婉拒了苏联提供的优越条件，要带着怀有身孕的妻子何吟薇回到祖国。他们想要成为中国的居里夫妇，做出惊天动地的研究成果，哪怕中国现在的科研条件非常落后。
为了带着研究数据回国，王怀民故意与一些同样来自中国的科学家发生冲突，还装出一幅自己不愿意回国的样子。直到搭乘火车顺利回到了祖国境内，才将自己藏匿在画里的数据展示给众人。可是他们没想到的是，火车上潜入了国民党的特务。
当王怀民想要用酒精展示自己藏在画里的数据时，正好遇到从朝鲜战场退下来的解放军战士陶志纲。陶志纲一向看不起文人，再加上他因为常年身处战场出现了很大的心理问题，经常需要借助酒精释放情绪。所以当陶志纲看到王怀民把酒倒在画上，误以为他们是在糟蹋粮食，忍不住与他们发生了口角。
火车到了北京，军区医院的杨佳蓉和同事刘丽接到命令来车站接陶志纲，打算将身为负伤战斗英雄的他带回医院检查。陶志纲原本非常抗拒前往医院，可是在杨佳蓉的伶牙俐齿下还是答应前往医院。
就在这时，一直尾随着王怀民夫妇的国民党特务突然出手，不仅将怀着身孕的何吟薇踹到在地，还夺走了装有研究数据的箱子。陶志纲和战友看到这一幕，推测行凶的是特务，便朝着他们追赶过去。
经过王怀民和陶志纲的奋力追赶，研究数据被成功夺回，特务分子也相继被击毙。可是被特务踹到在地的何吟薇受伤早产，并且出现了难产的情况，最终失去了生命，只留下一个遗腹子王振理。
回到国内后，王怀民就立即投入了科研之中。一方面是想尽快为祖国的建设作出贡献，一方面也是想通过忙碌麻痹自己对妻子的思念。而杨佳蓉，也在王怀民妻子临终的委托下，经常不顾王怀民的拒绝，执拗的来照顾他们的孩子王振理。
