eşimin açıklanabilmesidir. Materyel parçacıkların oluşumu ve yok edilişi
üzerine ilk başarılı teoriydi. Önceden sadece fotonların böyle davrandığı
bilinmekteydi.

Ocak 1934'de Irene Joliot-Curie ve Frederic Joliot
elementleri alfa parçacıklarıyla bombardıman ederken onları radyoaktif hale
getirdiklerini duyurdular. Martta Fermi'nin asistanı Gian-Carlo Wick Fermi'nin
beta çürümesi teorisini kullanarak teorik bir açıklama getirdi. Fermi deneysel
fiziğe geçmeye karar verdi ve James Chadwick'in 1932'de keşfettiği nötronu
kullanmaya başladı. Mart 1934'te Fermi Rasetti'nin polonyum-berilyum nötron
kaynağı ile radioaktiviteyi oluşturmayı denedi. Nötronların elektrik yükü
yoktu, bu nedenle pozitif bir çekirdek onların yönünü değiştiremezdi. Bu da
çekirdeği delmek için yüklü parçacıklardan daha az enerji gerektiği anlamına
geliyordu ve Via Panisperna gençlerinin sahip olmadığı parçacık hızlandırıcıya
gerek kalmıyordu.

Fermi polonyum-berilyum nötron kaynağını
radon-berilyum kaynağı ile değiştirdi. Bunu cam bir ampulü berilyum tozuyla
doldurduktan sonra havayı boşaltıp 50 mCi radon gazı ekleyerek yaptı. Bu daha
güçlü bir nötron kaynağı yarattı, ancak etkisi radon'un 3.8 günlük yarı ömrü
ile sınırlıydı. Fermi bu kaynağın gamma ışınları da yayacağını biliyordu, ancak
teorisine göre bu deneyin sonuçlarını etkilemezdi. Hazır bulunan yüksek atom
numaralı bir element olan Platini bombardıman ederek başladı ancak sonuç
alamadı. Daha sonra aluminyumu denedi; bunun sonucunda bir alfa parçacığı
oluştu ve önce sodyum, daha sonra magnezyuma dönüştü. Sonuçsuz deneylerinde
kurşunu ve kalsiyüm florür şeklinde alfa parçacığı yayarak nitrojen ve oksijene
çürüyen floridi denedi. 22 değişik elementi radyoaktif hale getirmeyi başardı.
Fermi nötron sebepli radyoaktiviteyi İtalyan La Ricerca Scientifica dergisinde
25 Mart 1934'te yayınladı.

Toryum ve uranyumu doğal radyoaktivitesi bu
elementlerin nötronlarla bombardıman edildiğinde ne olduğunu görmeyi
zorlaştırıyordu ancak uranyumdan hafif ve kurşundan ağır elementleri yok ederek
Fermi yeni elementler bulduğunu belirtti ve bunlara hesperyum ve ausonyum adını
verdi. Kimyager Ida Noddack bunu eleştirdi ve bazı deneylerin kurşundan hafif
elementler oluşturduğunu söyledi. Noddack'in eleştirisi ciddiye alınmadı çünkü
onun takımı uranyumla deney yapmamıştı ve masuryum 'u (teknetyum) buluşuna
kesin gözüyle bakılmıyordu. O zamanda fizyonun teorik olarak olasılıksız ve
imkansız olduğu düşünülüyordu. Fizikçiler yüksek atom numaralı elementlerin
nötron bombardımanından hafif elementlerden oluşacağını beklerken kimse
nötronların ağır bir atomu Noddack'in dediği gibi iki hafif parçaya
bölebileceğini beklemiyordu.

Via Panisperna gençleri açıklanamayan bazı etkiler
de gördüler. Deney mermer yerine tahta bir masada daha iyi yapılıyordu. Fermi
Joliot-Curie ve Chadwick'in parafin mumunun nötronları yavaşlattığını
söylediğini hatırladı ve bunu denemeye karar verdi. Nötronlar parafin mumundan
geçerken gümüşte parafinsiz deneye nazaran yüzlerce kat daha fazla
radyoaktivite oluşturdular. Fermi bunun parafindeki hidrojen atomları yüzünden
olduğunu düşündü. Tahtadaki atomlar da mermer ile aradaki farkı açıklıyordu.
Bir nötronun çarpıştığı elementin çekirdeğinin atom numarası ne kadar düşükse,
kaybettiği enerji de o kadar yüksekti ve bu nedenle nötronu yavaşlatmak için az
çarpışma gerekiyordu. Fermi bunun daha fazla radyoaktivite oluşturduğunu fark
etti çünkü yavaş nötronlar hızlı olanlardan daha kolay yakalanıyordu. Bunu
açıklamak için bir difüzyon denklemi geliştirdi ve bu denklem daha sonra Fermi
yaş denklemi adını aldı.

1938 yılında Fermi 37
yaşındayken “nötronla ışınama sonucu ortaya çıkan yeni elementlerin varlığını
gösterme ve buna bağlı olan yavaş nötronlarla nükleer reaksiyonları keşfetme”
üzerine çalışmaları için Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Fermi Stockholm'da ödülü
aldıktan sonra İtalya'ya dönmedi ve ailesiyle Aralık 1938'de New York City'ye
taşındı ve vatandaşlığa başvurdu. Ailenin Amerika'ya taşınma kararı öncelikle
İtalya'daki ırk yasalarının bir sonucuydu.

Fermi 2 Ocak 1939'da New
York City'ye geldi. Hemen beş değişik üniversiteden teklif aldı ve 1936 yazında
ders vermiş olduğu Columbia Üniversitesi'ninkini kabul etti. Aralık 1938'de
Alman kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strassmann'ın baryumu uranyumu nötron
bombardımanına tutarak bulduğunu öğrendi ve Lise Meitner ve yeğeni Otto Frisch
bunu nükleer fizyonun ürünü olarak tanımladı. Frisch bunu deneysel olarak 13
Ocak 1939'da kanıtladı. Frisch ve Meitner'ın Hahn ve Strassmann'ın keşfinin
incelemesi Atlantik Okyanusu'nu Niels bohr ile geçti. Princeton'da ders veren
Bohr bunu İsidor İsaac Rabi ve Willis Lamb'e söyledi ve onlar da bunu
Columbia'ya taşıdı. Rabi bunu Fermi'ye söylediğini iddia etti ancak Fermi daha
sonra Lamb'in söylediğini belirtti:

“Ocak 1939 ayını çok iyi
hatırlıyorum. Pupin Laboratuarı'nda çalışmaya başlamıştım çünkü her şey çok
hızlı gelişiyordu. O dönemde Niels Bohr Princeton'da ders vermekteydi ve bir
öğleden sonra Willis Lamb heyecanla bana gelip Bohr'un iyi haberler verdiğini
söyledi. Bu haber, fizyonun buluşu ve tanımının genel bir fikrini içeriyordu.
Aynı ay, Washington'da bir toplantı oldu ve burada yeni bulunan fizyonun önemi
ve nükleer enerji kaynağı olabilmesi konuşuldu.” 

Noddack sonunda haklı
çıkmıştı. Fermi hesaplamalarına göre fizyonun olasılığını yok saymıştı, ancak
tek nötron sayılı bir nüklidin fazladan bir nötron almasında ortaya çıkan
bağlayıcı enerjiyi göz ardı etmişti. Fermi için bu haber utanç vericiydi çünkü
bulduğunu düşündüğü ve Nobel aldığı transuranik elementler element değil,
fizyon ürünleriydi. Nobel kabul konuşmasına bunu ekledi. 

Columbia'daki bilim
adamları uranyumun nötron bombardımanında verdiği enerjiyi ölçmeye karar verdi.
25 Ocak 1939'da Columbia'daki Pupin Hall'ın bodrum katında, Fermi ve deney
takımı ABD'nin ilk nükleer fizyon deneyini yaptılar. Takımın diğer üyeler
Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, G. Norris Glasoe ve
Francis G. Slack idi. Ertesi gün, Beşinci Washington Teorik Fizik konferansı
Washington DC'de başladı. George Washington Üniversitesi ve Carnegie
Enstitüsü'nün bu ortak konferansında fizyonun haberi iyice yayıldı ve başka
deneylere yol açtı.

Fransız bilim adamları
Hans von Halban, Lew Kowarski ve Frederic Joliot-curie uranyumun nötron
bombardımanında aldığından fazla nötron verdiğini bulmuştu. Fermi ve Anderson
da birkaç hafta sonra bunu buldu. Leo Szilard Fermi ve Anderson'ın fizyon
deneylerini yeni bir boyuta taşımak için Kanadalı radyum üreticisi Eldorado
Gold Mines Limited'den 200 kilogram uranyum oksit elde etti. Fermi ve Szilard
birlikte kendi kendine yeten bir nükleer reaksiyon (nükleer reaktör)
geliştirdi. Hidrojenin suda emdiği nötronların sayısı ve hızı yüzünden doğal
uranyumu nötron moderatörü kullanarak kendiliğinden olan bir nükleer reaksiyon
yapmak zordu. Fermi su yerine uranyum oksit bloklar ve grafiti kullanayı teklif
etti. Böylece nötron yakalama hızı azalacak ve kendi kendine yeten bir zincir
reaksiyonu olacaktı. Szilard çalışan bir dizayn sundu: grafit tuğlaların
arasında uranyum oksit blokları. Szilard, Anderson ve Fermi “Uranyum'da Nötron
Üretimi” adlı bir makale yazdı. Ancak kişilikleri farklı olduğu için Fermi
Szilard'la çalışmakta zorluk çekti. 

Fermi askeri liderleri
nükleer enerjinin gücü hakkında uyaran ilk kişi oldu ve bunu 18 Mart 1939'da
Deniz Kuvvetleri'nde verdiği derste yaptı. Deniz kuvvetleri Columbia
araştırmalarına 1500 dolar takviyede bulundular ancak verdikleri cevap gene de
Fermi için yeterli değildi. Daha sonra Szilard, Eugene Wigner ve Edward Teller
Einstein imzalı meşhur mektubu Başkan Roosevelt'e yollayarak Nazi Almanyası'nın
atom bombası yapabileceğini yazdılar. Böylece Roosevelt S-1 Uranyum Komitesi'ni
oluşturdu.

S-1 Komitesi Fermi'ye
grafit alması için para sağladı ve bununla Pupil Hall Laboratuvarı'nda bir
grafit tuğla yığıntısı yaptı. Ağustos 1941'de altı ton uranyum oksit ve 30 ton
grafiti vardı ve bununla Columbia'da daha büyük bir düzen kurdu.

S-1 Komitesi tekrar 18
Aralık 1941'de buluştu ve ABD artık 2. Dünya Savaşı'na girdiği için çalışmalar
önem kazandı. Çalışmaların çoğu zenginleştirilmiş uranyum üretmeye yönelikti,
ancak komite üyesi Arthur Compton daha mantıklı bir alternatifin plütonyum
olduğunu ve 1944'ün sonuna kadar bunun reaktörlerde seri üretime geçebileceğini
söyledi. Chicago Üniversitesi'nde plütonyum çalışmaları başlattı. Fermi
istemeyerek taşındı ve takımıyla yeni Metalurji Laboratuvarı'nda görev aldı.

Kendi kendine yeten bir
nükleer reaksiyonun sonuçları kesin değildi ve bu nedenle Chicago kampüsünde
şehrin ortasında bunu yapmamaya karar verdiler. Compton Argonne Woods
Ormanı'nda Chicago'ya 32 kilometre uzaklıkta bir yer buldu. Stone & Webster
alanı geliştirmek için iş aldı ancak endüstriyel bir anlaşmazlık nedeniyle
durdular. Fermi Compton'ı reaktörü Chicago'nun Stagg Field'ının altındaki
squash kortunda inşa etmeye ikna etti. Bu inşaat 6 Kasım 1942'de başladı ve
Chicago Pile-1 2 Aralık'ta kritik hale geldi. Yığının şekli küre biçimindeydi,
ancak Fermi bütün düzeni kurmadan kritik hale gelebileceğini hesapladı.

Bu deney enerji
arayışında önemli bir noktaydı ve Fermi'nin tipik yaklaşımını gösterdi. Her
adım dikkatlice planlandı ve her hesaplama dikkatlice yapıldı. İlk kendi
kendine yeten nükleer zincir reaksiyonu yapıldığında Compton Ulusal Savunma
Araştırma Komitesi Başkanı James B. Conant'la şifreli bir telefon görüşmeyi
yaptı:

“Telefonu elime alıp
Conant'ı aradım. Ona Harvard Üniversitesi Rektörü'nün ofisinde ulaştım. 'Jim,'
dedim, 'İtalyan kaşifin yeni dünyaya ulaştığını öğrenmek hoşuna gidecektir.
Sonra, önceden komiteyi daha bir haftalık işimiz olduğuna inandırdığım için
özür dileyerek 'Dünya sandığımız kadar büyük değilmiş, oraya çok erken ulaştı,'
diye ekledim. Conant 'Demek öyle. Yerliler arkadaş canlısı mıydı peki?' diye
sordu. Ben de 'herkes sağ salim ulaştı,' dedim.”

Araştırmayı topluma
tehlikeli olmayan bir yerde sürdürmek için reaktör demonte edilerek Argonne
Ormanı'na