1946年7月1日，美国在太平洋比基尼岛进行了世界和平时期的第一次原子弹试验，事先邀请作为盟国的中华民国代表赴美参观原子弹爆炸情况。中央研究院总干事萨本栋找到赵忠尧，商定由赵忠尧作为中国科学家代表，去参观美国在太平洋进行的原子弹爆炸实验，并委托赵忠尧利用去美国之便，不要急于回国，想方设法在美国采购一批研究器材运回国内，建设我国自己的质子静电加速器，发展我国的核物理事业。赵忠尧身怀中国核物理学发展的使命来到太平洋马绍尔群岛北端的比基尼岛。他目睹了原子弹爆炸的惊人威力，由大约80艘废置军舰，包括航空母舰组成的舰队大半沉入海底，深切感受到，要彻底结束中华民族被列强欺辱的历史，就必须掌握原子核科学的利剑。而质子静电加速器作为当时世界领先的实验设备，是中国原子核物理事业迈出第一步必不可少的基石。赵忠尧在心中设计出一套缜密方案，在美国买一台加速器起码需40万美元，然而中央研究院副院长吴有训寄来的购置费用只有12万美元，数额相差甚远。而且即使经费充裕，整台购买也不现实，因为加速器在当时的美国属于高科技装置，被限制出口。于是，赵忠尧“曲线救国”，在此后几年里，通过关系采购一些加速器部件，在麻省理工学院学习静电加速器发电及加速管的制造技术，买来原材料利用美国的技术加工一些国内无法制造的关键零部件。同时他利用业余时间协助别人搞科学研究，与几个物理实验室签订“换工协议”，以此换取有关加速器的技术资料和零部件。

        1949年秋，中华人民共和国成立。赵忠尧看到了中华民族崛起的希望，决心躲开美国联邦调查局和海关的严密检查，将自己几年来收集到的加速器零部件运回祖国大陆，尽快建立起中国的核科学体系。赵忠尧亲手将这批器材装入30多个箱子，与购买的教学设备混在一起，存入美国一家国际运输公司，并陆续运回祖国大陆。随着时间的推移，赵忠尧本人的回国却遇到了难以想象的困难，1950年初，中美之间的直接通航完全中断了，取道香港也很难得到英国签证。直到1950年8月，赵忠尧才侥幸获得一份过境香港的签证，登上了开往香港的“威尔逊总统号”客轮。客轮尚未启动，联邦调查局的特工就到了，他们从赵忠尧的行李箱中搜出了一些核物理书籍和杂志，宣布这些书籍因违反美国出口法而予以扣留。赵忠尧为失去那些宝贵的书籍而遗憾，同时心中也暗暗庆幸，自己费尽心血筹集的加速器部件已经提前回国。

        9月12日，威尔逊总统号停靠在日本横滨海岸，赵忠尧做梦也没有想到在这里等着他的竟是铁窗生涯，他因“间谍嫌疑”被驻日美军投进日本巢鸭监狱。赵忠尧在日本遭到扣押的消息传出以后，在国际舆论界引起强烈反应。他的老朋友、身在台湾的傅斯年发来急电：“望兄来台共事，以防不测”。时穷节乃现，此时，赵忠尧如果以脱身为第一选择，必然接受傅斯年的邀请前往台湾，但台湾终究不是他的归宿，于是直言谢绝老朋友：“我回大陆之意已定。”1950年11月28日，在世界科学组织和中国政府的营救下，赵忠尧劫后归来，终于踏上祖国的土地。回到南京，赵忠尧没有直接回家，而是脱下西装，穿上长袍，与家人在鸡鸣寺前合影，表达了自己一心归国的赤子之心。