Carieră europeană
Fermi s-a întors acasă în Italia în 1924 pentru un post de profesor de fizică matematică la Universitatea din Florența. Primele sale cercetări au vizat relativitatea generală, mecanica statistică și mecanica cuantică. Erau cunoscute exemple de degenerare a gazelor (apariția unor fenomene neașteptate), iar unele cazuri au fost explicate prin statistica Bose-Einstein, care descrie comportamentul particulelor subatomice cunoscute sub numele de bosoni. Între 1926 și 1927, Fermi și fizicianul englez P.A.M. Dirac au dezvoltat în mod independent o nouă statistică, cunoscută în prezent sub numele de statistica Fermi-Dirac, pentru a trata particulele subatomice care se supun principiului de excludere Pauli; aceste particule, care includ electronii, protonii, neutronii (încă nedescoperiți) și alte particule cu spin semiîntreg, sunt cunoscute în prezent sub numele de fermioni. Aceasta a fost o contribuție de o importanță excepțională pentru fizica atomică și nucleară, în special în această perioadă în care mecanica cuantică era aplicată pentru prima dată.
Această lucrare fundamentală i-a adus lui Fermi o invitație în 1926 de a deveni profesor titular la Universitatea din Roma. La scurt timp după ce Fermi și-a preluat noua poziție în 1927, Franco Rasetti, un prieten din Pisa și un alt experimentator superb, i s-a alăturat lui Fermi la Roma și au început să adune în jurul lor un grup de studenți talentați. Printre aceștia se numărau Emilio Segrè, Ettore Majorana, Edoardo Amaldi și Bruno Pontecorvo, care au avut cu toții cariere deosebite. Fermi, o figură carismatică, energică și aparent infailibilă, era în mod clar liderul – atât de mult încât colegii săi îl numeau „Papa.”
În 1929, Fermi, în calitate de prim profesor de fizică teoretică din Italia și de stea în ascensiune în știința europeană, a fost numit de către prim-ministrul italian Benito Mussolini în noua sa Accademia d’Italia, o poziție care includea un salariu substanțial (mult mai mare decât cel pentru orice post universitar obișnuit), o uniformă și un titlu („Excelență”).
La sfârșitul anilor 1920, mecanica cuantică a rezolvat problemă după problemă în fizica atomică. Cu toate acestea, Fermi, mai devreme decât majoritatea celorlalți, a recunoscut că acest domeniu începea să se epuizeze și și-a schimbat în mod deliberat orientarea către domeniul mai primitiv dezvoltat al fizicii nucleare. Radioactivitatea fusese recunoscută ca fiind un fenomen nuclear de aproape două decenii până în acel moment, dar enigmele încă abundau. În cazul dezintegrării beta, sau al expulzării unui electron negativ din nucleu, energia și impulsul păreau să nu fie conservate. Fermi s-a folosit de neutrino, o particulă aproape nedetectabilă care fusese postulată cu câțiva ani mai devreme de fizicianul de origine austriacă Wolfgang Pauli, pentru a elabora o teorie a dezintegrării beta în care echilibrul era restabilit. Acest lucru a dus la recunoașterea faptului că dezintegrarea beta era o manifestare a forței slabe, una dintre cele patru forțe universale cunoscute (celelalte fiind gravitația, electromagnetismul și forța puternică).
În 1933, echipa franceză formată din soțul și soția Frédéric și Irène Joliot-Curie a descoperit radioactivitatea artificială cauzată de particule alfa (nuclee de heliu). Fermi s-a gândit rapid că neutronul neutru, descoperit cu un an mai devreme de fizicianul englez James Chadwick, ar fi un proiectil și mai bun cu care să bombardeze nuclee încărcate pentru a iniția astfel de reacții. Împreună cu colegii săi, Fermi a supus mai mult de 60 de elemente bombardamentului cu neutroni, folosind un contor Geiger-Müller pentru a detecta emisiile și efectuând analize chimice pentru a determina noii izotopi radioactivi produși. Pe parcurs, au descoperit din întâmplare că neutronii a căror viteză a fost încetinită erau adesea mai eficienți. Atunci când au testat uraniul, au observat mai multe activități, dar nu au putut interpreta ceea ce se întâmpla. Unii oameni de știință au crezut că au produs elemente transuraniene, și anume elemente superioare uraniului la numărul atomic 92. Problema nu a fost rezolvată până în 1938, când chimiștii germani Otto Hahn și Fritz Strassmann, din punct de vedere experimental, și fizicienii austrieci Lise Meitner și Otto Frisch, din punct de vedere teoretic, au lămurit confuzia, dezvăluind că uraniul se scindase și că cele câteva radioactivități detectate proveneau de la fragmente de fisiune.
Fermi era puțin interesat de politică, însă a devenit din ce în ce mai incomod cu politica fascistă din țara sa natală. Când Italia a adoptat politicile antisemite ale aliatului său, Germania nazistă, a apărut o criză, deoarece soția lui Fermi, Laura, era evreică. Acordarea Premiului Nobel pentru Fizică din 1938 a oferit, în mod întâmplător, scuza pentru ca familia să călătorească în străinătate, iar banii din premiu au ajutat la stabilirea lor în Statele Unite.