С целью изучения возможности цепной реакции на быстрых нейтронах Курчатов развернул свои первые исследования по проблеме деления тяжелых ядер. В тематическом плане НИР ЛФТИ на 1940 год по своей лаборатории он планировал детально изучить взаимодействие нейтронов с ядрами урана и тория и выяснить, возможна ли цепная ядерная реакция и каковы условия ее осуществления^[227]. Проведение этого исследования с самого начала Курчатов взял под свою опеку: разработал план и методику проведения контрольных экспериментов, выделил в качестве лаборатории двум молодым физикам, своим дипломникам Г. Н. Флерову и К. А. Петржаку, часть своего кабинета в Физтехе.

Флеров и Петржак исследовали этот вопрос с помощью созданного ими под руководством своего научного руководителя детектора нейтронов — камеры деления с рекордной чувствительностью. Чувствительность их камеры деления была прямо пропорциональна площади ее электродов, на которые тонким слоем был нанесен уран, из которого выходили осколки деления. Она была в тысячу раз выше, чем у Уилларда Либби, проводившего аналогичные опыты в Калифорнийском университете.

Конструкцию своей камеры Флеров и Петржак построили наподобие образа конденсатора переменной емкости. В отличие от последнего все 25 пластин камеры были жестко закреплены. Их общая площадь равнялась тысяче квадратных сантиметров. Петржак, умея хорошо рисовать (он освоил это ремесло в детстве, чтобы прокормиться и не пропасть среди беспризорников), нанес на электроды камеры чрезвычайно ровный слой окиси урана и покрыл его затем сусальным золотом. Такое покрытие являлось совершенно необходимым условием для того, чтобы в случае появления пылинки на поверхности электрода исключить на выходе камеры импульсы, возникающие в области пылинки, где происходит пробой газового промежутка между пластинами.

При проведении длительного фонового опыта экспериментаторы обнаружили мощный импульс, характерный для осколков деления. Курчатов, проанализировав результаты опыта как новое явление, потребовал «бросить все и заниматься… год, два, десять, сколько потребуется, чтобы уяснить его суть до конца». Наметил контрольные эксперименты, приказал повысить еще чувствительность камеры. В нее ввели эманацию радия — радон. Фон возрос, но скорость счета импульсов не изменилась. Курчатов приказал защитить камеру толстым слоем вещества, чтобы исключить влияние космических частиц. Для этого проверку следовало проводить под водой или под землей. Научный руководитель распорядился закончить эксперимент в ЛФТИ, а продолжить его в водах Финского залива, в процессе чего наблюдаемое новое явление самопроизвольного деления урана подтвердилось. Тогда исследователи впервые назвали этот процесс «спонтанным делением».

Для дополнительных экспериментов Курчатов добился разрешения использовать московскую станцию метро «Динамо». Около полугода Флеров и Петржак работали в Москве под шестидесятиметровым слоем земли. Эффект и здесь оказался прежним. Выяснилось, что спонтанное деление ядер урана не связано с космическим излучением^[228]. Через месяц Курчатов пришел к уверенности, что совокупность экспериментальных данных служит бесспорным доказательством существования в природе нового вида радиоактивности. Он поручил своим сотрудникам подготовить сообщение. Короткую заметку об открытии, подписанную Флеровым и Петржаком, А. Ф. Иоффе направил по трансатлантическому кабелю (каблограммой) в американский журнал «Physical Review», и в июне 1940 года она увидела свет.

Сообщение об экспериментах Флерова и Петржака В. Г. Хлопин сделал на майской сессии Академии наук^[229]. Оба автора открытия, написав статью, предложили Курчатову подписать ее в качестве одного из соавторов, но он отказался. Тогда они завершили ее фразой: «Мы приносим искреннюю благодарность за руководство работой проф. И. В. Курчатову, наметившему все основные контрольные эксперименты и принимавшему самое непосредственное участие в обсуждении результатов исследования»^[230].

В «Отчете о научной работе РИАН СССР за I полугодие 1940 года» это исключительное событие В. Г. Хлопин изложил так: «Исключительное научно-ценное открытие было сделано аспирантом К. А. Петржаком совместно с сотрудником ЛФТИ Г. Н. Флеровым, которым удалось показать наличие спонтанного деления ядер урана. Результат доложен на Ученом Совете РИАН и на майской сессии Академии наук. Направлены статьи в „Доклады А. Н.“ и в Физикл ревью»^[231]. О роли Курчатова не было сказано ни слова.

Вспоминая работу с Курчатовым уже после его смерти, Флеров и Петржак писали, что «несомненно, под этим сообщением первой должна была стоять фамилия Курчатова. Он высказал идею опытов с фотонейтронами, по его заданиям была сконструирована сверхчувствительная камера деления, которая и дала возможность обнаружить спонтанное деление. С ним обсуждались все планы и детали опытов, им были предложены все контрольные эксперименты и неожиданный результат. А уж доказательства реальности явления принадлежали ему все без исключения. И главное, весь фундамент, школа были его. Но Курчатов отказался подписать сообщение. После выхода работы в свет мы от него узнали, что он не хотел „затенять“ своих учеников. Ему был важен их успех»^[232]. Позже, в 1978 году, Г. Н. Флеров подтвердил, что Курчатов стремился к успеху, но не к своему, а своей школы, «ему был важен успех учеников»^[233]. К. А. Петржак, выступая в 1983 году на Курчатовских чтениях в Ленинграде, свидетельствовал: «Курчатов категорически отказался поставить свою фамилию в число авторов. Он опасался, что впоследствии непосредственные исполнители будут забыты и останется только его имя»^[234].

Отклика на свое сообщение из-за границы авторы так и не получили, так как в то время эти исследования в США были уже засекречены. Да и в других странах постепенно происходило то же самое.

Открытие спонтанного деления — самая значительная работа школы Курчатова в ядерной физике довоенного времени. Оно было сделано у нас значительно раньше, чем в других странах. Данные Флерова и Петржака были подтверждены в 1942 году немецкими учеными Г. Позе и Ф. Маурером, которые в журнале «Zeitschrift für Physic» сообщили о наблюдении спонтанного деления, но об этом курчатовцы узнали только после окончания Второй мировой войны. Это открытие подтвердило оптимистический вывод Курчатова о возможности осуществления цепной реакции на медленных нейтронах и позволило ему еще в 1940 году дать оценки критических масс для систем из урана и замедлителя. Без открытия самопроизвольного деления урана решение проблемы практического получения и технического использования внутриядерной энергии не могло бы стать реальностью.

В введении к докладу о своем открытии^[235] авторы отмечали, что возможность спонтанного деления урана была теоретически предсказана Н. Бором и Ф. Уилером как редчайший процесс, в котором период полураспада урана по отношению к новому виду радиоактивности составляет 1022 года, а эксперименты У. Либби потерпели неудачу, так как чувствительность его камеры была недостаточной, чтобы обнаружить спонтанное деление.

Долгие годы многослойная ионизационная камера хранилась у одного из ее создателей — К. А. Петржака. 16 ноября 1984 года Константин Антонович, которому шел семьдесят восьмой год, передал ее в Мемориальный дом-музей своего учителя Курчатова. Зная это, Георгий Николаевич Флеров, часто приезжавший из Дубны на свою московскую квартиру, каждый раз заглядывал в музей. Он непременно подходил к витрине, подолгу стоял и задумчиво смотрел на свою камеру, словно перелистывал в памяти незабываемую и волнующую страницу прошлого.