Carreira Européia
Fermi voltou para a Itália em 1924 para uma posição como professor de Física Matemática na Universidade de Florença. Sua pesquisa inicial foi em relatividade geral, mecânica estatística e mecânica quântica. Exemplos de degenerescência gasosa (aparecimento de fenômenos inesperados) tinham sido conhecidos, e alguns casos foram explicados pelas estatísticas de Bose-Einstein, que descreve o comportamento das partículas subatômicas conhecidas como bósons. Entre 1926 e 1927, Fermi e o físico inglês P.A.M. Dirac desenvolveram independentemente novas estatísticas, agora conhecidas como estatísticas Fermi-Dirac, para lidar com as partículas subatômicas que obedecem ao princípio de exclusão Pauli; estas partículas, que incluem elétrons, prótons, nêutrons (ainda não descobertos), e outras partículas com spin semi-inteiro, são agora conhecidas como fermions. Esta foi uma contribuição de excepcional importância para a física atômica e nuclear, particularmente neste período em que a mecânica quântica estava sendo aplicada pela primeira vez.
Este trabalho seminal trouxe a Fermi um convite em 1926 para se tornar um professor titular da Universidade de Roma. Pouco depois de Fermi assumir seu novo cargo em 1927, Franco Rasetti, um amigo de Pisa e outro soberbo experimentalista, juntou-se a Fermi em Roma, e eles começaram a reunir um grupo de estudantes talentosos sobre eles. Entre eles Emilio Segrè, Ettore Majorana, Edoardo Amaldi e Bruno Pontecorvo, todos eles com carreiras distintas. Fermi, uma figura carismática, enérgica e aparentemente infalível, era claramente o líder – tanto que seus colegas o chamavam de “o Papa”
Em 1929 Fermi, como primeiro professor italiano de física teórica e estrela em ascensão na ciência europeia, foi nomeado pelo primeiro-ministro italiano Benito Mussolini para a sua nova Accademia d’Italia, uma posição que incluía um salário substancial (muito maior do que para qualquer posição universitária comum), um uniforme, e um título (“Excelência”).
Durante o final dos anos 20, a mecânica quântica resolveu problema após problema na física atómica. Fermi, antes que a maioria dos outros, reconheceu que o campo estava se esgotando e deliberadamente mudou seu foco para o campo mais primitivamente desenvolvido da física nuclear. A radioatividade havia sido reconhecida como um fenômeno nuclear por quase duas décadas, mas os enigmas ainda abundavam. Na decadência beta, ou a expulsão de um elétron negativo do núcleo, a energia e o impulso pareciam não ser conservados. Fermi fez uso do neutrino, uma partícula quase indetectável que tinha sido postulada alguns anos antes pelo físico austríaco Wolfgang Pauli, para formar uma teoria de decadência beta na qual o equilíbrio foi restaurado. Isso levou ao reconhecimento de que a decadência beta era uma manifestação da força fraca, uma das quatro forças universais conhecidas (sendo as outras a gravitação, o eletromagnetismo e a força forte).
Em 1933 a equipe francesa de marido e mulher de Frédéric e Irène Joliot-Curie descobriu a radioatividade artificial causada por partículas alfa (núcleos de hélio). Fermi rapidamente argumentou que o nêutron neutro, encontrado um ano antes pelo físico inglês James Chadwick, seria um projétil ainda melhor para bombardear núcleos carregados a fim de iniciar tais reações. Com os seus colegas, Fermi submeteu mais de 60 elementos a bombardeamentos de neutrões, utilizando um contador Geiger-Müller para detectar emissões e realizar análises químicas para determinar os novos isótopos radioactivos produzidos. Ao longo do caminho, descobriram por acaso que os neutrões que tinham sido desacelerados na sua velocidade eram muitas vezes mais eficazes. Ao testar o urânio, observaram várias actividades, mas não conseguiram interpretar o que ocorreu. Alguns cientistas pensaram que tinham produzido elementos transuranianos, nomeadamente elementos superiores ao urânio atómico número 92. A questão só foi resolvida em 1938, quando os químicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann experimentalmente, e os físicos austríacos Lise Meitner e Otto Frisch teoricamente, limparam a confusão revelando que o urânio tinha se separado e que as várias radioatividades detectadas eram de fragmentos de fissão.
Fermi estava pouco interessado na política, mas ele ficou cada vez mais desconfortável com a política fascista de sua terra natal. Quando a Itália adotou as políticas anti-semitas de seu aliado, a Alemanha nazista, ocorreu uma crise, pois a esposa de Fermi, Laura, era judia. A atribuição do Prêmio Nobel de Física de 1938 serviu de desculpa para a família viajar para o exterior, e o dinheiro do prêmio ajudou a estabelecê-los nos Estados Unidos.