Петроград встретил Курчатова послевоенным голодом и нараставшей с августа 1921 года безработицей, причинами которой являлись война, разруха, хозяйственная и промышленная депрессии, прилив населения из деревень. Приходилось и учиться, и самому зарабатывать на хлеб: на помощь родителей он рассчитывать не мог. Так же, как и в Крыму, ограниченность в средствах заставила Игоря искать работу [49] . Он нашел ее в Магнитометеорологической обсерватории в Павловске (в те годы Слуцке), филиале Главной физической обсерватории, находившейся в Петрограде, где изучали атмосферное электричество. Игорь поступил туда на должность «наблюдателя». Научный руководитель обсерватории профессор В. Н. Оболенский поручил ему зимой 1923/24 года изучить радиоактивность осадков, измеряя альфа-активность снега. В. Я. Френкель в этом первом серьезном исследовании Курчатова отмечает стремительность, с которой тот входил в круг совершенно новых для него явлений, для изучения которых еще не существовало методик и приборов [50] .

Курчатов проштудировал теоретические основы проблемы, все классические труды того времени, посвященные радиоактивности и ее излучениям: работы М. Кюри, Э. Резерфорда, его учеников Г. Гейгера и Ч. Вильсона. Чтобы вести измерения радиоактивности, наладил ионизационную камеру, развил и усовершенствовал методику измерений и получил новые, неизвестные до него и более точные значения для активности снега в момент его контакта с почвой и при его таянии. Изучил зависимость активности проб снега от времени, прошедшего с начала снегопада [51] . По результатам исследования он написал статью и зимой 1924 года после одобрения руководством обсерватории сдал рукопись в редакцию «Журнала геофизики и метеорологии», где весной 1925 года она была опубликована под названием «К вопросу об исследовании радиоактивности снега». Статья вошла в сборники классических работ по изучению радиоактивности [52] . Через десять лет проблема радиоактивности, к которой юный энтузиаст-исследователь Игорь Курчатов случайно прикоснулся, определит все его дальнейшее научное творчество.

Курчатов, понимая, что его исследование не решает проблему полностью, самокритично указал на это в своей статье. Но он достиг научного успеха, многому научился как исследователь и увидел перед собой новые горизонты. Исследование радиоактивности снега дало Курчатову не только заработок, но и уверенность в правильном выборе профессии. Переписка Курчатова, Синельникова и Ляхницкого свидетельствует о чрезвычайном увлечении Игоря процессом исследования, которым он «наслаждался», задерживаясь в обсерватории, ночуя на столе, укутавшись в полушубок, чтобы с утра пораньше продолжить опыты [53] . Он восхищался тем, что «сам измеряет радиоактивность», с восторгом рассказывал об опытах. Это доказывает, что именно тогда Курчатов окончательно выбирает профессию не инженера и не кораблестроителя, а ученого, исследователя, экспериментатора. В письме из Баку Синельников одобряет это его решение, отмечая целеустремленность друга: «Так приятно было узнать, что Вы, наконец, пошли по правильной дороге. Помните наши разговоры и споры насчет науки и физики? Способности у Вас очень и очень недюжинные, и Вы скоро „сдягаете“ себе имя в науке. Я Вам завидую невероятно» [54] . В это время Синельников под руководством С. Н. Усатого исследовал магнитные свойства веществ, теплопроводность, теории кристаллических решеток и приглашал Курчатова присоединиться [55] .

Далее в письме Синельникова обнаруживается интересная новость, до сих пор остававшаяся вне внимания биографов Курчатова: оказывается, еще в Крымском университете друзья вместе исследовали теплопроводность тел, в процессе чего наблюдали новое явление. Сообщение о законченной части исследования (по наблюдению «тока насыщения электропроводности») Синельников отправил до 13 марта 1924 года в журнал «Известия АГУ» (Азербайджанского государственного университета) [56] , указав фамилии двух авторов — свою и Курматова. «Первая часть этой работы закончена и печатается в „Известиях АГУ“» [57] , — написал он Игорю Васильевичу. Таким образом, первая научная работа Курчатова выполнена еще до весны 1923 года, а не зимой 1923/24 года, годом раньше, чем это признавалось ранее.

Но тогда в Павловске, увлеченный опытами в обсерватории, Курчатов запустил дела на кораблестроительном факультете, за второй семестр экзаменов не сдавал и поэтому был отчислен. Вскоре добавились семейные неприятности. Пришло известие о высылке отца из Крыма в далекую Бугульму. В анкете Курчатов указывал: «Работа была прервана по семейным обстоятельствам». Чтобы попрощаться с семьей, Игорь отправляется в Крым. Мать с братом Борисом выехала в Казань, так как Крымский университет, в котором учился Борис, в 1924 году закрылся [58] . Борис без труда перевелся в Казанский университет на химическое отделение: «Полученных в Крыму у С. Н. Усатого знаний оказалось вполне достаточно для занятий настоящей физикой — будь то задачи, связанные с радиоактивностью, или какие-либо другие» [59] .

Проводив родных к новому месту жительства, Курчатов отправился в Феодосию, где по рекомендации петроградского метеоролога профессора Н. Н. Калитина в качестве прикомандированного приступил к работе на гидрометеорологической станции Черного и Азовского морей. Он трудился по 12–14 часов в сутки, жил в доме сторожа маяка. «Работа Игоря, — вспоминал работавший с ним друг М. Луценко, — заключалась в математической обработке и анализе таблиц записей мареографов — мареограмм — методом гармонического анализа… Трудились до 11 вечера. В свободное время много читали» [60] . Луценко оценивает Курчатова того периода как «упорного, скромного до застенчивости молодого человека». В очень короткий срок Игорь выполнил здесь три работы: «Опыт применения гармонического анализа к исследованию приливов и отливов Черного моря», «Сейши в Черном и Азовском морях» и еще одну, посвященную определению мутности морской воды с помощью фотоэлементов [61] .

Во введении к первой статье Курчатов дает обзор выполненных до него работ. Оказывается, еще незадолго до того, как он начал изучать эти проблемы, ученые считали, что океанские приливы вообще не проявляются в Тавриде в силу «защищенности» здесь Черного моря от Мирового океана узкими проливами и цепью внутренних морей. Лишь в 1912 году начались первые исследования в этом направлении. Курчатов определил, что, в отличие от океанских приливов громадной величины, приливные волны в Черном море очень малы. Он проводил расчеты на основании данных, которые установил в Феодосии и Поти, а также на тех, которые добывал, отправляясь на моторной лодке к приборам, установленным в море. При этом он использовал данные только наиболее удавшихся, четких мареограмм. Накопив богатый экспериментальный материал, Курчатов получил амплитуды так называемых лунной и солнечной полусуточных волн. Это позволяло оценить точность расчетов, полученных на основании разных теоретических моделей [62] .

Во второй работе Курчатов исследовал специфические волнообразные процессы коротких периодов, связанные с влиянием небесных тел и имеющие характер стоячих волн. Такие колебания уровня воды, характерные для озер, бухт, заливов, называли «сейши». Колебания при этом захватывают сразу всю воду соответствующего бассейна: уровень на средней линии остается неизменным, а противоположные стороны колеблются в противофазе. Раскачка сейшевых волн может производиться Луной и другими причинами. Курчатов изучил мареограммы, снятые в Азовском море у Ейска, и сопоставил их с аналогичными кривыми, снятыми в Темрюке на противоположном берегу. «Им было получено хорошее соответствие с экспериментально наблюдавшимися значениями периода и амплитуды сейшей» [63] . В этой же работе он описал свой опыт изучения сейшей Черного моря на основе изучения мареограмм, снятых на противоположных сторонах этого моря — в Одессе и Поти.