吴有训校长邀请回国立中央大学物理系任教，并担任物理系主任。1946年，赴美国参观美国在太平洋中的原子弹实验，并在麻省理工学院电机系静电加速器实验室、卡内基地磁研究所、加州理工学院核反应实验室工作；其间购置核物理实验器材。1948年，获选为中华民国中央研究院第1届(数理科学组)院士。1950年返国途中被美国政府拘留达数月之久。之后克服重重困难，于1950年底取道香港返回中国大陆，在中国科学院物理研究所、高能物理研究所工作。1955年当选中国科学院院士。1958年筹建中国科学技术大学近代物理系，兼任系主任。