Europeisk karriär
Fermi återvände hem till Italien 1924 och fick en tjänst som lektor i matematisk fysik vid universitetet i Florens. Hans tidiga forskning gällde allmän relativitetsteori, statistisk mekanik och kvantmekanik. Exempel på gasdegenerering (uppkomsten av oväntade fenomen) hade varit kända, och vissa fall förklarades av Bose-Einstein-statistiken, som beskriver beteendet hos subatomära partiklar som kallas bosoner. Mellan 1926 och 1927 utvecklade Fermi och den engelske fysikern P.A.M. Dirac oberoende av varandra ny statistik, nu känd som Fermi-Dirac-statistik, för att hantera de subatomära partiklar som lyder Pauli-utestängningsprincipen; dessa partiklar, som omfattar elektroner, protoner, neutroner (som ännu inte upptäckts) och andra partiklar med ett halvt helt spinn, kallas nu fermioner. Detta var ett bidrag av utomordentlig betydelse för atom- och kärnfysiken, särskilt under denna period då kvantmekaniken började tillämpas.
Detta banbrytande arbete gav Fermi 1926 en inbjudan att bli ordinarie professor vid universitetet i Rom. Kort efter att Fermi tillträdde sin nya tjänst 1927 anslöt sig Franco Rasetti, en vän från Pisa och en annan utmärkt experimentalist, till Fermi i Rom, och de började samla en grupp begåvade studenter om sig. Bland dessa fanns Emilio Segrè, Ettore Majorana, Edoardo Amaldi och Bruno Pontecorvo, som alla hade en framstående karriär. Fermi, en karismatisk, energisk och till synes ofelbar person, var helt klart ledaren – så mycket att hans kollegor kallade honom ”påven”.
Av 1929 utsågs Fermi, som Italiens första professor i teoretisk fysik och en stigande stjärna inom den europeiska vetenskapen, av Italiens premiärminister Benito Mussolini till hans nya Accademia d’Italia, en befattning som innebar en rejäl lön (mycket större än vad som gällde för en vanlig universitetsanställning), en uniform och en titel (”excellens”).
Under slutet av 1920-talet löste kvantmekaniken problem efter problem inom atomfysiken. Fermi, tidigare än de flesta andra, insåg dock att området höll på att bli uttömt, och han ändrade medvetet sitt fokus till det mer primitivt utvecklade området kärnfysik. Radioaktivitet hade vid den här tiden erkänts som ett kärntekniskt fenomen i nästan två decennier, men det fanns fortfarande många gåtor. Vid betasönderfall, dvs. när en negativ elektron kastas ut från kärnan, tycktes energi och rörelsemängd inte bevaras. Fermi använde sig av neutrino, en nästan oupptäckbar partikel som hade postulerats några år tidigare av den österrikiskfödde fysikern Wolfgang Pauli, för att skapa en teori om betasönderfall där balansen återställdes. Detta ledde till att man erkände att betasönderfallet var ett uttryck för den svaga kraften, en av de fyra kända universella krafterna (de andra är gravitation, elektromagnetism och den starka kraften).
1933 upptäckte det franska paret Frédéric och Irène Joliot-Curie artificiell radioaktivitet som orsakades av alfapartiklar (heliumkärnor). Fermi resonerade snabbt att den neutrala neutronen, som ett år tidigare upptäckts av den engelske fysikern James Chadwick, skulle vara en ännu bättre projektil att bombardera laddade atomkärnor med för att starta sådana reaktioner. Tillsammans med sina kolleger utsatte Fermi mer än 60 grundämnen för neutronbombardemang och använde en Geiger-Müller-mätare för att upptäcka emissioner och utförde kemiska analyser för att fastställa vilka nya radioaktiva isotoper som producerades. På vägen dit upptäckte de av en slump att neutroner som hade bromsats i sin hastighet ofta var mer effektiva. När de testade uran observerade de flera aktiviteter, men de kunde inte tolka vad som hände. Vissa forskare trodde att de hade producerat transuranelement, det vill säga element högre än uran med atomnummer 92. Frågan löstes inte förrän 1938, då de tyska kemisterna Otto Hahn och Fritz Strassmann experimentellt och de österrikiska fysikerna Lise Meitner och Otto Frisch teoretiskt klarade upp förvirringen genom att avslöja att uranet hade splittrats och att de flera radioaktiviteter som upptäcktes härrörde från klyvningsfragment.
Fermi var föga intresserad av politik, men ändå kände han sig alltmer obekväm med den fascistiska politiken i sitt hemland. När Italien antog den antisemitiska politiken från sin allierade, Nazityskland, uppstod en kris, för Fermis fru Laura var judinna. Tilldelningen av Nobelpriset i fysik 1938 gav familjen en ursäkt för att resa utomlands, och prispengarna hjälpte dem att etablera sig i USA.