当时报考出国有两条路——自费和公费。卢嘉锡当然只能选择后者。“公费”就是把庚子赔款由“债权国”分别退还给我国来选派出国留学生。在当时数学系主任张希陆教授的鼓励和支持下，他参加了清华中美庚款公费考试，然而未遂人愿，失败了。两年后，他又报考中英庚款公费留学考试，这一次他的考试成绩不太差，但当时根据计划只录取一名，又落榜了。第二次失败对于卢嘉锡来说，别有一番滋味。短暂的懊丧之后，他开始重整旗鼓，带着几分苍凉，努力地克服情绪的困扰。1937年3月，在他第三次赴南京应试时。终以独占鳌头的成绩考取了第五届中英庚款的公费留学。此刻，他还不满22岁。
远涉重洋，卢嘉锡在英国伦敦大学化学系做了两年研究生，并在伦敦大学注册申请学位。幸运的是他的指导教师是磁化学和放射化学的著名教授萨格登先生。当教授问及卢嘉锡的研究方向时，他断然选择了放射化学。为此，萨格登先生颇为赞赏。
在萨格登教授的指导下，1939年卢嘉锡写出了题为《放射性卤素的化学浓集法》的博士论文，并发表于英国国际权威刊物《化学会志》上。在人造放射性领域，卢嘉锡是最早实际进行定量研究工作和首次成功地分离出放射性高度浓缩物的化学家。
取得最高学历并不是卢嘉锡的终极目标。在他看来，科学是无止境的，此刻最大的愿望莫过于到一流的科学家身边工作和学习。不久，萨格登先生便把卢嘉锡推荐给了20世纪杰出的美国化学家鲍林教授。
在加州理工学院，卢嘉锡被接纳为客座研究员。在跟随鲍林的同时，卢嘉锡发现这位导师有着独特的化学直观能力：只要给出某种物质的化学式，他就能大体想象出该物质的分子结构模型。无形中，卢嘉锡在大学时期就形成的“毛估”思维，由此得到了催化。追随鲍林共同工作的时间总共加起来四年半。1944年，卢嘉锡应聘到隶属于美国国防研究委员会第十三局所属的马里兰研究室工作了一年。在燃烧和爆炸方面取得了出色的成绩，获得了科学研究局OSRD颁发的“成就奖”。
1945年，中国的抗战取得了最后的胜利，卢嘉锡的归国之心终于无法按捺，满怀着科学救国的热望。于当年11月21日离开旧金山，12月上旬到了祖国上海，1946年元月由上海回到了厦门大学，实现了报效祖国的诺言。
两校相争，卢嘉锡从此开始了教学生涯。组织疏散，王亚南有了新的发现。卢唐“共价键”展现出一代科技巨人们的风采。伉俪情深，卢嘉锡无悔的选择。
正当卢嘉锡乘坐轮船在海上航行之际，关于他回国的消息已在国内传开了，卢嘉锡成为国内知识界广为关注的对象。1944年和1945年，卢嘉锡曾分别收到了厦门大学萨本栋校长和浙江大学理学院院长胡刚复的邀请电函，言辞十分恳切，盛情邀请他前往各自的学校任教。
1946年1月3日，卢嘉锡终于回到了阔别已久的鹭岛。探望了怀念已久的母校厦大，不想竟再也走不脱了。接替萨本栋校长的汪德耀先生找到了卢嘉锡，再三恳请他留在母校。此时，浙大胡刚复也发来了电报，催促他“早日来杭”。并且在聘用卢嘉锡的问题上两校互不相让。
面对眼前难于割舍的“情”和“义”。卢嘉锡进退两难，一边天天派人上门“蘑菇”，一边电报猛催。据说后来经朋友调解，最终才达成了一个两全的“协约”——卢嘉锡交叉往返于厦杭之间。
卢嘉锡在1946年秋季首次赴杭讲学，《厦大校刊》便作如下报道：
“本校化学系主任卢嘉锡先生，近应国立浙江大学之邀，前往该校讲学。卢主任11月30日搭飞机飞沪转杭，讲学3个月，约明年3月返本校任教……”
南来北往，卢嘉锡的教学生涯从此拉开了序幕，所未料到的是，他在母校一干就是14个年头。然而，与此同时，他作为教育家的盛名于此便传扬开去。
许多卢先生当年的学生回忆说，听卢先生讲课特别轻松，他能化抽象为形象，化艰深为平易，化枯燥为幽默，且入木三分，让人听了有如沐春风，如入胜境。据说为之倾倒的不仅仅是听课的学生，还包括听过他讲课的教师甚至资历相当深的教授。事实上，善于运用既形象又贴切的比喻来帮助学生消化一些难于理解的概念和理论，正是卢嘉锡教学的显著特点之一。有数字表明，截止到1966年，厦大培养出的63名研究生中，有41名是化学系学生，占全校研究生人数的三分之二。由此所不应忽略的便是卢先生对于厦大化学系的贡献。
1948年年底，国民党败局已定，当局派人劝说卢嘉锡到台湾去。他对同事们说：“台湾我是不去的，我不相信共产党来了我就不能做好工作！”不久，他便和许多师生们一起投身到由厦大组织的一系列的爱国活动之中。
全国解放不久，国内掀起了轰轰烈烈的抗美援朝运动，由于厦大理工两个学院教学工作经常受到困扰，学校
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