Для изучения взаимодействия пучка атомов кадмия или цинка с поверхностью твердых тел при различных температурах Харитон применил следующий изящный метод. Медная пластинка шириной в 1 см и длиной 13—15 см опускалась одним концом в цилиндрический сосуд с жидкой ртутью. На противоположный конец пластинки наматывался небольшой нагреватель. Сосуд со ртутью погружался в сосуд Дьюара с жидким воздухом. Ртуть замерзала, и медная пластинка прочно вмораживалась в нее. После включения нагревателя вдоль пластинки устанавливался постоянный перепад температур от до —140 °С. Против пластинки располагался источник бомбардирующих атомов — нихромовая проволочка, на которую наносился изучаемый металл. При нагреве этой проволочки атомы металла летели в направлении медной пластинки. Они отражались от той ее части, температура которой превосходила критическую, и осаждались на другой, более холодной. Граница между обеими областями была очень резкой. Результаты Семенова и Харитона подтвердили идеи Кнудсена—Вуда и существенно их уточнили.
Одной из самых замечательных работ молодого Харитона на этом первом этапе в ЛФТИ (1925 год) было выполненное им совместно с З. Вальта экспериментальное исследование горения фосфора в кислороде. Эта работа стала отправной точкой для изучения разветвления цепных химических реакций. Вот что рассказывает по этому поводу сам Юлий Борисович:
«Я сконструировал прибор и, как полагалось в то время, получив от стеклодува наиболее сложные детали, собственноручно спаял его. В сосуд с кусочком белого фосфора через очень тонкий капилляр впускался кислород. Давление кислорода в сосуде с фосфором постепенно повышалось, но никакого свечения не было. Пары фосфора не желали окисляться. И только когда давление кислорода достигло сотых долей миллиметра ртутного столба, во всем объеме вспыхнуло стационарное свечение. Давление кислорода перестало повышаться. Это продолжалось, пока не закрыли кран, через который подавался кислород. Затем в течение двух суток мы продержали смесь под давлением чуть ниже предела — реакция не шла совсем. При возобновлении потока кислорода реакция начиналась снова».
Это исследование стало предметом резкой критики со стороны руководителя немецкой школы химической кинетики — Макса Боденштейна. Он опубликовал статью, в которой отрицал возможность существования критического давления. Харитон уехал в командировку в Кавендишскую лабораторию в Кембридж. Семенов вместе с Шальниковым воспроизвели явление критического давления и его снижения от примеси благородного газа. Они выявили еще один критический параметр — размер сосуда. Н. Н. Семенов обобщил эти эксперименты и на их основании создал теорию разветвленных химических цепных реакций. Боденштейн был вынужден признать поражение. Молодая советская школа химической кинетики взяла верх над представителями немецкой школы.
Я. Б. Зельдович вспоминал потом: «Главным в этих первых работах были даже не сами работы, а вся тогдашняя обстановка переднего края науки. Главным был научный энтузиазм и тесное общение людей. Старшему в этой группе — А. Ф. Иоффе — было чуть больше сорока лет. Семенову, который тоже причислял себя к старшим, было тридцать. И было более десяти человек совсем молодых — 20—22-летних будущих академиков, членов-корреспондентов, которые работали с огромным увлечением. Они обменивались мнениями, работали, не считаясь со временем, и в этой обстановке зарождалось то, что сейчас можно назвать школой Иоффе».
Поездка Харитона в Кавендишскую лабораторию в Кембридже — событие настолько важное для становления Харитона-ученого, что следует особо рассказать о нем.
В 1921 году Абрам Федорович Иоффе получил согласие Резерфорда на стажировку в его лаборатории П. Л. Капицы. Петр Леонидович проработал в Кавендишской лаборатории с 1921 по 1934 годы. В 1926 году по рекомендации Капицы Резерфорд согласился принять к себе на стажировку еще одного физтеховца — Ю. Б. Харитона. П. Н. Семенов помог оформить Юлию Борисовичу зарубежную командировку, и он на два года уезжает в Англию.
«Кавендишская лаборатория,— рассказывает Харитон,— построена более ста лет назад — в 1874 году. Снаружи здание выдержано в готическом стиле. Нормального подъезда нет. Вход в арочном проезде. Небольшая лестница налево ведет в ряд лабораторий трехэтажной части здания... В конце двора находилась лаборатория Петра Леонидовича. В рабочих комнатах не было штукатурки. Просто аккуратно сложенный голый кирпич. Это нарушало привычное представление о лабораторном помещении, но нисколько не мешало работать. Налево от арки на самом верху было чердачное помещение. Оно так и называлось — «чердак» (garret!). Каждый из вновь прибывших должен был пройти через этот «чердак» — поработать там некоторое время, чтобы освоить простейшие операции с радиоактивными веществами. Я тоже пробыл там около месяца.