Europese carrière
Fermi keerde in 1924 terug naar huis in Italië en werd docent mathematische fysica aan de Universiteit van Florence. Zijn eerste onderzoek betrof de algemene relativiteit, de statistische mechanica en de kwantummechanica. Voorbeelden van gasdegeneratie (het optreden van onverwachte verschijnselen) waren bekend, en sommige gevallen werden verklaard door de statistiek van Bose-Einstein, die het gedrag beschrijft van subatomaire deeltjes die als bosonen bekend staan. Tussen 1926 en 1927 ontwikkelden Fermi en de Engelse natuurkundige P.A.M. Dirac onafhankelijk van elkaar nieuwe statistiek, nu bekend als de Fermi-Dirac-statistiek, om de subatomaire deeltjes te behandelen die aan het Pauli-uitsluitingsprincipe gehoorzamen; deze deeltjes, waartoe elektronen, protonen, (nog niet ontdekte) neutronen en andere deeltjes met half-integer spin behoren, staan nu bekend als fermionen. Dit was een bijdrage van uitzonderlijk belang aan de atoom- en kernfysica, vooral in deze periode waarin de kwantummechanica voor het eerst werd toegepast.
Dit baanbrekende werk leverde Fermi in 1926 een uitnodiging op om gewoon hoogleraar te worden aan de Universiteit van Rome. Kort nadat Fermi in 1927 zijn nieuwe positie had aanvaard, voegde Franco Rasetti, een vriend uit Pisa en een andere voortreffelijke experimentator, zich bij Fermi in Rome, en zij begonnen een groep getalenteerde studenten rond zich te verzamelen. Onder hen bevonden zich Emilio Segrè, Ettore Majorana, Edoardo Amaldi, en Bruno Pontecorvo, die allen een grote carrière hadden. Fermi, een charismatische, energieke en schijnbaar onfeilbare figuur, was duidelijk de leider, zozeer zelfs dat zijn collega’s hem “de paus” noemden.
In 1929 werd Fermi, als eerste hoogleraar theoretische fysica in Italië en rijzende ster in de Europese wetenschap, door de Italiaanse premier Benito Mussolini benoemd tot lid van zijn nieuwe Accademia d’Italia, een positie die een aanzienlijk salaris inhield (veel hoger dan voor een gewone universitaire functie), een uniform en een titel (“Excellentie”).
Tijdens de late jaren twintig loste de kwantummechanica probleem na probleem in de atoomfysica op. Fermi zag echter eerder dan de meeste anderen in dat het veld uitgeput begon te raken, en hij verlegde zijn aandacht bewust naar het meer primitief ontwikkelde gebied van de kernfysica. Radioactiviteit was tegen die tijd al bijna twee decennia erkend als een nucleair verschijnsel, maar er waren nog steeds raadsels in overvloed. Bij het verval van bèta, of de uitdrijving van een negatief elektron uit de kern, leken energie en momentum niet behouden te blijven. Fermi maakte gebruik van het neutrino, een bijna onwaarneembaar deeltje dat enkele jaren eerder was gepostuleerd door de in Oostenrijk geboren natuurkundige Wolfgang Pauli, om een theorie van het betaverval te ontwikkelen waarin het evenwicht werd hersteld. Dit leidde tot de erkenning dat betaverval een manifestatie was van de zwakke kracht, één van de vier bekende universele krachten (de andere zijn gravitatie, elektromagnetisme en de sterke kracht).
In 1933 ontdekte het Franse echtpaar Frédéric en Irène Joliot-Curie kunstmatige radioactiviteit, veroorzaakt door alfadeeltjes (heliumkernen). Fermi redeneerde al snel dat het neutrale neutron, een jaar eerder gevonden door de Engelse natuurkundige James Chadwick, een nog beter projectiel zou zijn om geladen kernen mee te bombarderen en zo dergelijke reacties op gang te brengen. Samen met zijn collega’s onderwierp Fermi meer dan 60 elementen aan neutronenbombardementen, waarbij hij een Geiger-Müller-teller gebruikte om de emissies te detecteren en chemische analyses uitvoerde om de nieuwe radioactieve isotopen te bepalen die werden geproduceerd. Gaandeweg ontdekten zij bij toeval dat neutronen waarvan de snelheid was vertraagd, vaak doeltreffender waren. Bij het testen van uranium namen zij verschillende activiteiten waar, maar zij konden niet interpreteren wat er gebeurde. Sommige wetenschappers dachten dat zij transuraniumelementen hadden geproduceerd, d.w.z. elementen hoger dan uranium met atoomnummer 92. De kwestie werd pas in 1938 opgelost, toen de Duitse chemici Otto Hahn en Fritz Strassmann experimenteel, en de Oostenrijkse natuurkundigen Lise Meitner en Otto Frisch theoretisch, de verwarring oplosten door te onthullen dat het uranium gespleten was en de verschillende radio-activiteiten die werden waargenomen afkomstig waren van splijtingsfragmenten.
Fermi was weinig geïnteresseerd in politiek, maar toch begon hij zich steeds ongemakkelijker te voelen bij de fascistische politiek van zijn vaderland. Toen Italië het antisemitische beleid van zijn bondgenoot nazi-Duitsland overnam, ontstond er een crisis, want Fermi’s vrouw, Laura, was joods. De toekenning van de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1938 bood het gezin toevallig het excuus om naar het buitenland te reizen, en het prijzengeld hielp om hen in de Verenigde Staten te vestigen.