Enrico Fermi
Roma'daki Profesörlüğü

İtalya'da profesörlükler, boş bir sandalye için yarışma (concorso) yoluyla veriliyordu. Başvuranlar, profesörlerden oluşan bir komite tarafından yayınlarına göre derecelendiriliyordu. Fermi, Sardinya'daki Cagliari Üniversitesi'nde matematiksel fizik bölümüne başvurdu ancak kıl payıyla reddedilerek Giovanni Giorgi'nin lehine karar verildi. 1926'da 24 yaşındayken bu sefer de Roma Sapienza Üniversitesi'ne profesörlük başvurusunda bulundu. Bu, İtalya'daki teorik fizik alanındaki ilk üç pozisyondan biri olan yeni bir pozisyondu ve üniversitenin deneysel fizik profesörü ve Bilim Enstitüsü müdürü olan profesör ve ayrıca Orso Mario Corbino'nun teşvikiyle Eğitim Bakanı tarafından oluşturulmuştu. Corbino üniversitenin deneysel fizik profesörüydü, ayrıca Fizik Enstitüsü Başkanı ve Benito Mussolini'nin hükûmetinin üyesiydi. Seçim komitesine de başkanlık eden Corbino, yeni başkanın İtalya'da fiziğin standardını ve itibarını yükselteceğini umuyordu. Komite, Enrico Persico ve Aldo Pontremoli'nin yerine Fermi'yi seçti ve Corbino, Fermi'nin ekibini seçmesine yardımcı oldu. Kısa süre sonra Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana ve Emilio Segrè gibi önemli öğrenciler ve Franco Rasetti de katıldı. Fermi onu asistanı olarak atamıştı. Kısa süre sonra gruplarına Fizik Enstitüsü'nün bulunduğu sokağa atfen "Via Panisperna gençleri" adını verdiler.
Fermi, 19 Temmuz 1928'de üniversitede fen bilimleri öğrencisi olan Laura Capon ile evlendi. İki çocukları oldu: Ocak 1931'de doğan Nella ve Şubat 1936'da doğan Giulio. 18 Mart 1929'da Fermi, Mussolini tarafından İtalya Kraliyet Akademisi üyeliğine atandı ve 27 Nisan'da Faşist Parti'ye katıldı. Daha sonra, İtalyan Faşizmini ideolojik olarak Alman nasyonal sosyalizmine yaklaştırmak için Mussolini tarafından 1938'de ırkçı yasalar çıkarıldığında Faşizme karşı çıktı. Bu yasalar Yahudi olan Laura'yı tehlikeye sokty ve Fermi'nin araştırma görevlilerinin çoğunun işsiz kalmasına neden oldu.
Fermi ve ekibi, Roma'da bulundukları süre boyunca fiziğin birçok pratik ve teorik yönüne önemli katkılarda bulundular. 1928'de İtalyan üniversite öğrencilerine güncel ve erişilebilir bir bilgi sağlayan Atom Fiziğine Giriş (Introduzione alla fisica atoma) adlı eserini yayınladı. Fermi ayrıca yeni fizik bilgisini mümkün olduğu kadar geniş bir alana yaymak amacıyla halka açık konferanslar düzenledi ve bilim insanları ve öğretmenler için popüler makaleler yazdı. Öğretme yönteminin bir kısmı, günün sonunda meslektaşlarını ve lisansüstü öğrencilerini bir araya toplamak ve çoğunlukla kendi araştırmasında karşısına çıkan bir problemin üzerinden geçmekti. Başarı olduklarını gösteren bir işaret ise artık yabancı öğrencilerin de İtalya'ya gelmeye başlamasıydı. Bunlardan en dikkate değer olanı, Rockefeller Vakfı üyesi olarak Roma'ya gelen ve Fermi ile 1932 tarihli "İki Elektron Arasındaki Etkileşim Üzerine" (Almanca: Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen) adlı makale üzerinde işbirliği yapan Alman fizikçi Hans Bethe'ydi.
O dönemde fizikçiler, atom çekirdeğinden bir elektronun yayıldığı beta bozunması karşısında şaşkına dönmüştü. Pauli, enerjinin korunumu yasasını karşılaması gerektiği için, aynı anda yayılan, yükü olmayan ve çok az kütlesi olan veya hiç kütlesi olmayan görünmez bir parçacığın varlığını öne sürdü. Fermi, 1933'te deneysel bir makalesinde geliştirdiği bu fikri benimsedi ve sonraki yıl, Fermi'nin "nötrino" olarak adlandırdığı varsayımsal parçacığı içeren daha uzun bir makale yayınladı. Daha sonra Fermi etkileşimi ve daha sonra da zayıf etkileşim teorisi olarak anılacak olan teorisi, doğanın dört temel kuvvetinden birini tanımlıyordu. Nötrino, ölümünden sonra keşfedildi ve etkileşim teorisi, bunun tespit edilmesinin neden bu kadar zor olduğunu gösterdi. Makalesini Britanya dergisi Nature'a sunduğunda, derginin editörü makaleyi "okuyucuların ilgisini çekmeyecek kadar fiziksel gerçeklikten uzak" spekülasyonlar içerdiği için geri çevirdi. Bu nedenle makale İngilizceden önce Almanca ve İtalyanca basıldı.
1968 İngilizce versiyonunun girişinde fizikçi Fred L. Wilson şöyle yazdı:
Fermi'nin teorisi, Pauli'nin nötrino önerisini desteklemenin yanı sıra, modern fizik tarihinde özel bir öneme sahiptir. Teorinin öne sürüldüğü dönemde yalnızca doğal olarak oluşan β yayıcıların bilindiği unutulmamalıdır. Daha sonra pozitron bozunması keşfedildiğinde süreç, Fermi'nin orijinal teorisine kolaylıkla dahil edilebildi. Teorisine dayanarak, bir yörünge elektronunun bir çekirdek tarafından yakalanacağı tahmin edildi ve sonunda bu gözlemlendi. Zamanla deneysel veriler önemli ölçüde birikti. Her ne kadar β bozunumunda tuhaflıklar birçok kez gözlemlenmiş olsa da, Fermi'nin teorisi her zaman bu zorluğun üstesinden gelmiştir. Fermi teorisinin sonuçları çok büyüktür. Örneğin, β spektroskopisi nükleer yapının incelenmesi için güçlü bir araç olarak kurulmuştur. Ancak Fermi'nin bu çalışmasının belki de en etkili yönü, onun özel β etkileşimi formunun, diğer etkileşim türlerinin incelenmesi için uygun bir model oluşturmasıdır. Bu maddesel parçacıkların yaratılması ve yok edilmesine ilişkin ilk başarılı teoriydi. Daha önce yalnızca fotonların yaratılıp yok edildiği biliniyordu.
Ocak 1934'te Irène Joliot-Curie ve Frédéric Joliot, elementleri alfa parçacıklarıyla bombaladıklarını ve içlerinde radyoaktivite oluşturduklarını duyurdular. Mart ayına gelindiğinde Fermi'nin asistanı Gian Carlo Wick, Fermi'nin beta bozunması teorisini kullanarak teorik bir açıklama yapmıştı. Fermi, James Chadwick'in 1932'de keşfettiği nötronu kullanarak deneysel fiziğe geçmeye karar verdi. Mart 1934'te Fermi, Rasetti'nin polonyum-berilyum nötron kaynağıyla radyoaktiviteyi tetikleyip tetikleyemeyeceğini görmek istedi. Nötronların elektrik yükü yoktu ve bu nedenle pozitif yüklü çekirdek tarafından saptırılamazlardı. Bu, çekirdeğe nüfuz etmek için yüklü parçacıklara göre çok daha az enerjiye ihtiyaç duydukları ve dolayısıyla Via Panisperna gençlerinin sahip olmadığı bir parçacık hızlandırıcıya ihtiyaç duymayacakları anlamına geliyordu..
Fermi'nin aklına polonyum-berilyum nötron kaynağını radon-berilyum kaynağıyla değiştirme fikri geldi. Bunu cam bir ampulü berilyum tozuyla doldurduktan sonra havayı boşaltıp Giulio Cesare Trabacchi'nin getirdiği 50 mCi radon gazı ekleyerek yaptı. Bu, radonun 3,8 günlük yarı ömrüyle etkinliği azalan çok daha güçlü bir nötron kaynağı yarattı. Bu kaynağın da gama ışınları yayacağını biliyordu ancak teorisine göre bunun deneyin sonuçlarını etkilemeyeceğine inanıyordu. Yüksek atom numarasına sahip ve kolaylıkla bulunabilen bir element olan platini bombalayarak işe başladı ancak başarılı olamadı. Bir alfa parçacığı yayan ve sodyum üreten, daha sonra beta parçacığı emisyonuyla magnezyuma bozunan alüminyuma yöneldi. Kurşunu denedi ama başarılı olamadı ve ardından bir alfa parçacığı yayan ve beta parçacığı emisyonuyla oksijene bozunan nitrojen üreten kalsiyum florür formundaki florini denedi. Toplamda 22 farklı elementte radyoaktiviteyi tetikledi. Fermi, 25 Mart 1934'te İtalyan La Ricerca Scientifica dergisinde nötronun neden olduğu radyoaktivitenin keşfini hızla yayınladı.
Toryum ve uranyumun doğal radyoaktivitesi, bu elementler nötronlarla bombardıman edildiğinde neler olduğunu belirlemeyi zorlaştırdı ancak uranyumdan daha hafif ancak kurşundan daha ağır elementlerin varlığını doğru bir şekilde ortadan kaldırdıktan sonra Fermi, bunların hesperyum ve ausonyum denilen yeni elementler yarattıkları sonucuna vardı. Kimyager Ida Noddack, bazı deneylerin yeni, daha ağır elementler yerine kurşundan daha hafif elementler üretebileceğini öne sürdü. Ekibi uranyumla herhangi bir deney yapmadığı veya bu olasılığın teorik temelini oluşturmadığı için önerisi o dönemde ciddiye alınmamıştı. O zamanlar, fisyonun teorik olarak imkansız olmasa da ihtimaller dışında olduğu düşünülüyordu. Fizikçiler daha yüksek atom numaralı elementlerin daha hafif elementlerin nötron bombardımanından oluşmasını beklerken, hiç kimse nötronların Noddack'ın önerdiği şekilde daha ağır bir atomu iki hafif element parçasına ayırmaya yetecek enerjiye sahip olacağını beklemiyordu.
Via Panisperna gençleri de bazı açıklanamayan etkileri fark etti. Deney, mermer bir masa yerine ahşap bir masa üzerinde daha iyi sonuç veriyor gibi görünüyordu. Fermi, Joliot-Curie ve Chadwick'in parafin mumunun nötronları yavaşlatmada etkili olduğunu belirttiklerini hatırladı ve bunu denemeye karar verdi. Nötronlar parafin mumundan geçirildiğinde, gümüşte parafinsiz bombardımana kıyasla yüz kat daha fazla radyoaktivite indüklendi. Fermi bunun parafindeki hidrojen atomlarından kaynaklandığını tahmin etti. Ahşaptaki atomlar da mermer ile aradaki farkı açıklıyordu. Bu, etkinin suyla tekrarlanmasıyla doğrulanmış oldu. Hidrojen atomlarıyla çarpışmaların nötronları yavaşlattığı sonucuna vardı. Çarpıştığı çekirdeğin atom numarası ne kadar düşük olursa, bir nötron çarpışma başına o kadar fazla enerji kaybediyor ve dolayısıyla bir nötronu belirli bir miktarda yavaşlatmak için gereken çarpışma sayısı da o kadar az oluyordu. Fermi, yavaş nötronların hızlı nötronlara göre daha kolay yakalanması nedeniyle bunun daha fazla radyoaktiviteye neden olduğunu fark etti. Bunu açıklamak için Fermi yaş denklemi olarak bilinen bir difüzyon denklemi geliştirdi.
Fermi, 1938'de 37 yaşındayken "nötron ışınımıyla üretilen yeni radyoaktif elementlerin varlığına ilişkin kanıtları ve bununla bağlantılı olarak yavaş nötronların neden olduğu nükleer reaksiyonları keşfi nedeniyle" Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Fermi, ödülü Stockholm'de aldıktan sonra İtalya'ya dönmedi, bunun yerine Aralık 1938'de ailesiyle birlikte New York City'ye gitti ve burada vatandaşlık ve oturma izni için başvurdular. Amerika'ya taşınma ve ABD vatandaşı olma kararı öncelikle İtalya'daki ırk yasalarından kaynaklandı.