实验物理学家。公派苏联留学生，1955年回国。
双重性格，有图灵般的亼格洁癖，有奇异博士一样的脑回路。为人低调，极为理智，他特别清楚自己想要什么，常常不屑解释，是独狼式的人物，不太擅长人际交往，更不善处理感情。与钟培林是忘年交，坚定推崇其知识救国、科技兴国的理念。一度因妻子何吟薇的死而消沉，与杨佳蓉一生风雨相依，最终没能走入婚姻。最后因舍生忘我，抢救放射性原件而身患癌症，以身殉国。

医生，后来在核防疫领域颇有建树。
沉稳细腻，真诚执拗，责任感强，柔弱的外表下有着极为坚韧强大的内心。学历不高，却胸怀大爱。1949年偶遇王怀民，一见钟情，并在他报国之心的感召下，立志成为一名医生。杨佳蓉一生都在守护和爱着王怀民，还尽心抚养他的儿子王振理。可惜两人的爱情历尽磨难，在历史大势之中，始终无法修成正果。

朝鲜战场退伍军人，二机部九所保卫干部，保密审查工作带头人。
耿直敏锐，倔强真诚，我行我素，有浓厚的英雄主义情怀，是个铁骨铮铮的汉子，战后却饱受应激后遗症的折磨。初期对科学家们成见颇深，看不惯钟心，还与王怀民处处做对，后来在与这群科学家们的共同战斗中，对这个英雄群体的认识有了改观。后与钟心结为夫妻。

留美女科学家，钟培林的女儿。
辅修心理学，会拉小提琴，英文极好，爱好摄影。她时尚活泼，非常漂亮，又咄咄逼人，一副资产阶级小姐作派，是新思潮的代表，不会因为别人而委屈自己。钟心一度临危受命，接手放射物理学科，并成功提纯出标准的浓缩铀，直接推动了核武器的硏制成功。因为价值观、生活方式和共同语言的相近，她一度倾心王怀民，后与陶志纲成为对欢喜冤家，在历经了生死考验后，两人结为夫妻。

理论物理学家，苏联留学生，王怀民的同学。
工作中，他提出的理论总是与王怀民相左，而每次他都是落败的那个，这让他非常不爽。在三联书店，他对江水宁一见倾心，并鼓起勇气追求她。两人确立恋爱关系后，他把江水宁调到生活区的幼儿园做老师。然而随着一系列情报事件的发酵，他慢慢确定江水宁就是特务。最终，他不惜“自我毁灭”，举报了妻子，却也由此迎来真正自由和理想的人生。…

幼时与彭雄飞结下娃娃亲，善良淳朴，古道热肠。在三年自然灾害时期，用自己的土办法改善了科学家们的饮食。李彩兰一直对彭雄飞照顾有加，后与他结婚，在研究所附近开了一家面馆。

美国康奈尔大学教授，著名物理学家、力学家、应用数学家，九所技术领导，钟心的父亲。
他乐观善良，信仰坚定对什么都感兴趣，什么都学一点。常有奇思妙想，像金庸书中的老顽童。对女儿的塑造和教育也非常好玩、非常民主。生活上则比较弱智”，不太会照顾女儿。后飞机失事，不幸罹难，去世前仍在努力保护核武器的重要数据。