1901-1917

Enrico Fermi nasce a Roma il 29 settembre. Durante l'infanzia il suo unico amico e compagno di giochi è il fratello Giulio, di un anno più grande di lui. A dieci anni si iscrive al ginnasio liceo Umberto I e molto presto sviluppa un forte interesse per la fisica e la matematica. A quattordici anni scopre su una bancarella di piazza Campo dei Fiori, un trattato di fisica matematica di circa 900 pagine, scritto in latino, Elementorum Physicae Mathematicae, e lo studia a fondo come risulta dalle numerose annotazioni in margine al testo e da foglietti pieni di calcoli ritrovati all'interno. Nel 1915, poco dopo la drammatica morte dell'amatissimo fratello Giulio, Fermi fa amicizia con Enrico Persico, compagno di scuola di Giulio. Il grande interesse per la fisica accomuna i due ragazzi, che insieme fanno lunghe passeggiate per la città, durante le quali il giovane Persico scopre con meraviglia l'intelligenza del tutto singolare del suo compagno: "In matematica e fisica dimostrava di conoscere molti argomenti non compresi nei nostri studi. Conosceva questi argomenti non in modo scolastico, ma in maniera tale da potersene servire con la massima abilità e consapevolezza. Già allora per lui conoscere un teorema o una legge scientifica significava soprattutto conoscere il modo di servirsene". Durante gli anni del liceo Fermi ha un interlocutore importante nell'ingegner Adolfo Amidei, amico e collega del padre, appassionato di matematica e fisica, che contribuisce alla sua formazione scientifica prestandogli numerosi trattati di livello universitario.

In luglio Fermi, saltando il terzo anno, consegue la licenza liceale. Si occupa della lettura dei 9 volumi di O. D. Chwolson, dove c'è tutta la fisica delle grandi svolte, ci sono tutti i nomi che rappresentano la transizione dalla fisica classica alla nuova fisica. Fermi fa il concorso per essere ammesso alla Scuola Normale Superiore di Pisa con il suo tema "Caratteri distintivi dei suoni e loro cause". In autunno Fermi si iscrive all'Università di Pisa come allievo interno della Scuola Normale.

Dalle lettere scritte all'amico Persico è possibile ricostruire l'intensa attività di studi che Fermi porta avanti durante questi anni universitari al di fuori del curriculum universitario. Si va dalla meccanica analitica di Hamilton e Jacobi, alla teoria di Lorentz, alla relatività ristretta, alla teoria del corpo nero.Sono anche menzionati i primi lavori di Bohr sullo spettro dell'idrogeno, certamente poco conosciuti e considerati all'epoca in Italia. E' un completo autodidatta e si muove con grande sicurezza nei campi più diversi della fisica e della matematica.

Tra i suoi colleghi a Pisa vi sono Franco Rasetti e Nello Carrara, con i quali Fermi inizia a fare esperimenti nel laboratorio di fisica al quale il direttore dell'Istituto, Luigi Puccianti, aveva dato loro libero accesso. Mostra subito le sue doti di leader del piccolo gruppo. Fermi ha già studiato a fondo quello che allora è considerato il testo sacro della meccanica quantistica, Atombau und Spektrallinien [Struttura dell'atomo e linee spettrali] di A. Sommerfeld ed è già considerato da tutti l'autorità indiscussa sulla teoria quantistica di Bohr-Sommerfeld. Tiene nella sede della sua università una conferenza sulla teoria dei quanti il 30 gennaio.

1921

La lettura del libro di Hermann Weyl, Raum, Zeit, Materie [Spazio, tempo, materia], pubblicato nel 1921, costituisce un'introduzione di straordinaria chiarezza fisica e matematica alla teoria della relatività. Dopo lo studio della meccanica quantistica Fermi si dedica a fondo alla relatività e nel corso del terzo anno di università pubblica sul Nuovo Cimento i suoi primi lavori su problemi di elettromagnetismo. Secondo quanto affermato da Persico il metodo di lavoro di Fermi consisteva nel prendere i dati di un determinato problema, elaborarli e confrontare i suoi risultati con quelli ottenuti dagli autori dei saggi. A volte, nella realizzazione di questo tipo di lavoro, egli poneva nuovi problemi e li risolveva oppure, addirittura, correggeva le soluzioni errate se erano ormai universalmente accettate. Nacquero così le sue prime pubblicazioni.

Si impadronisce a fondo dei metodi del calcolo tensoriale che, sviluppato dai matematici Gregorio Ricci Curbastro e Tullio Levi-Civita, costituisce la struttura matematica alla base della relatività generale. Il più notevole dei lavori di Fermi nel campo della relatività si trova nell'articolo Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria nel quale Fermi dimostra un teorema che semplifica alcune dimostrazioni di relatività generale. In questo studio Fermi introduce un sistema di coordinate spazio temporali (le cosiddette coordinate di Fermi) particolarmente adatto per seguire l'evoluzione temporale di fenomeni che avvengono in una piccola regione di spazio (una importante estensione viene successivamente fatta da A. G. Walker nel 1932, per cui nella letteratura scientifica si parla generalmente di coordinate di Fermi-Walker). In luglio si laurea in fisica con lode e ottiene il diploma della Scuola Normale con una tesi riguardante le immagini di diffrazione dei raggi X. A quell'epoca in Italia la fisica teorica non era considerata una disciplina da insegnare nelle università e una tesi in quel campo avrebbe rappresentato uno scandalo. I fisici erano essenzialmente fisici sperimentali e soltanto una tesi sperimentale sarebbe stata accettata da loro come una vera tesi di fisica. L'argomento più affine alla fisica teorica, la meccanica razionale, era insegnata dai matematici perché intesa come un settore della matematica applicata. Questo spiega perché argomenti come la teoria dei quanti non avevano preso piede in Italia: rappresentavano un qualcosa di indefinito tra la fisica e la matematica. Fermi identificò questo qualcosa.

1923

Nel breve saggio Le masse nella teoria della relatività, Fermi mette in evidenza un'importante conseguenza fisica della teoria einsteiniana, la relazione che lega la massa di un corpo alla sua energia. Dopo aver sottolineato le potenziali quantità di energia contenute in un grammo di materia in base alla relazione E=mc2, Fermi prosegue: "Non appare possibile che, almeno in un prossimo avvenire, si trovi il modo di mettere in libertà queste spaventose quantità di energia, cosa del resto che non si può che augurarsi, perché l'esplosione di una così spaventosa quantità di energia avrebbe come primo effetto di ridurre in pezzi il fisico che avesse la disgrazia di trovare il modo di produrla". In questo periodo Fermi si reca a Göttingen presso Max Born con una borsa di studio del Ministero della Pubblica Istruzione. Là conosce Werner Heisenberg e Pascual Jordan, e forse anche Wolfgang Pauli. Pubblica anche una serie di lavori sulla meccanica analitica, in particolare l'articolo Dimostrazione che in generale un sistema meccanico normale è quasi ergodico che viene molto apprezzato da Paul Ehrenfest, uno dei maggiori esperti, con Einstein, di meccanica statistica. Ehrenfest consegna a George Eugene Uhlenbeck, che si recava a Roma, una lettera per Fermi nella quale gli pone un certo numero di domande. In questa occasione Fermi e Uhlenbeck si conoscono: rimarranno amici per tutta la vita.

Fermi deciderà di andare a Leida con una borsa Rockefeller nel settembre dove, oltre al contatto con Ehrenfest, noto anche per i suoi fondamentali contributi alla meccanica quantistica, Fermi conoscerà di persona scienziati come Hendrick Lorentz e Albert Einstein e farà amicizia con alcuni giovani fisici come Samuel Goudsmit e Jan Tinbergen, che successivamente diventerà un'economista. A parte l'amico Enrico Persico, Fermi non ha in Italia, tra i fisici in senso stretto, interlocutori competenti con cui discutere delle sue ricerche sulla meccanica quantistica e sulla teoria della relatività. I soggiorni all'estero costituiscono quindi un'occasione preziosa per misurarsi con figure a livello internazionale. Tornato a Roma Fermi scrive una breve memoria dal titolo Sulla probabilità degli stati quantici, che può essere considerata il suo primo contributo importante alla meccanica quantistica. Il lavoro Sopra la teoria di Stern della costante assoluta dell'entropia di un gas perfetto monoatomico, pubblicato l'anno precedente, presenta un certo interesse storico perché è la prima indicazione delle riflessioni di Fermi su questi argomenti, in particolare sulla suddivisione dello spazio delle fasi in celle di volume h3. Ma è soltanto con il lavoro Considerazioni sulla quantizzazione dei sistemi che contengono degli elementi identici che Fermi arriva a porsi il problema della ricerca di un "principio mancante" per spiegare il comportamento di particelle identiche che obbediscono alle condizioni della meccanica quantistica di Bohr-Sommerfeld e in particolare per spiegare l'annullarsi dell'entropia allo zero assoluto. Fermi anticipa senza saperlo il principio di Pauli ( "principio di esclusione") che verrà enunciato (gennaio 1925). Il 2 luglio il fisico indiano Satyendra Nath Bose introduce un nuovo tipo di statistica per i quanti di luce. A distanza di poco più di una settimana Albert Einstein applica la statistica di Bose a un gas di particelle libere e nel suo articolo dell'8 gennaio 1925 deduce che la materia deve esibire proprietà ondulatorie con un argomento indipendente da quello di Louis de Broglie che nella sua tesi di laurea, discussa il 25 novembre del 1924, era stato il primo ad associare alla materia un comportamento ondulatorio.

E' un periodo di grandi scoperte e rapidi cambiamenti. Nel gennaio 1925 Pauli pubblica il suo famoso articolo sul principio di esclusione e appaiono i due fondamentali lavori di Einstein sulla statistica quantistica dei gas. Nell'estate dello stesso anno Heisenberg, Born e Jordan gettano le basi della nuova meccanica quantistica - o meccanica delle matrici - che Fermi non riesce ad apprezzare trovando la formulazione troppo astratta. Fermi accetta rapidamente la versione di Schrödinger della meccanica ondulatoria e considera con diffidenza la formulazione di Heisenberg; naturalmente finché non ne sarà dimostrata la completa equivalenza da Born, Jordan e Dirac. Dall'autunno del 1924 fino ai primi mesi del 1926 Fermi insegna meccanica teorica e fisica matematica all'Università di Firenze dove ritrova l'amico Rasetti, che all'epoca è assistente universitario. Insieme realizzano una serie di esperimenti originali dedicati all'effetto di un campo magnetico variabile sulla polarizzazione della radiazione di risonanza del mercurio.

1926

Ottenuta la cattedra di fisica teorica all'Università di Roma. Esce l'articolo Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, il celebre lavoro nel quale Fermi formula la teoria di un gas ideale di particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Subito dopo aver letto l'articolo di Pauli, Fermi si rende conto di possedere tutti gli elementi per formulare una teoria del gas ideale soddisfacente il principio di Nernst allo zero assoluto. L'importanza della statistica di Fermi per gli elettroni in un metallo viene messa in luce da un articolo di Pauli di poco successivo (10 febbraio 1927), Sulla degenerazione del gas e il paramagnetismo, in cui "La statistica quantica del gas perfetto monoatomico che è dovuta a Fermi [...] viene estesa al caso in cui gli atomi del gas possiedano spin e alla magnetizzazione di un tale gas". In questo lavoro Pauli considera appunto gli elettroni di conduzione all'interno di un metallo come un gas perfetto degenere. Nel settembre del 1927, in occasione del Congresso di Como, Arnold Sommerfeld presenta una relazione in cui riesce a spiegare per la prima volta il contributo al calore specifico da parte degli elettroni di un metallo utilizzando la nuova statistica. Come è noto, in onore di Fermi, tutte le particelle che obbediscono a questo tipo di statistica, come gli elettroni, i protoni e i neutroni, vengono attualmente chiamate fermioni. Il nome di Fermi verrà anche adoperato, nell'abbreviazione corrente Fermi motion, per descrivere la distribuzione della quantità di moto in un nucleo, considerato un esempio di gas degenere di nucleoni. Al suo ritorno da Firenze a Roma per le vacanze estive Fermi trova Pontremoli e Persico che studiano e discutono questa nuova formulazione della meccanica quantistica che fa uso di equazioni differenziali alle derivate parziali e quindi appare alla maggior parte dei fisici molto più accessibile rispetto alla "strana" matematica delle matrici utilizzata da Heisenberg. Una gran parte delle discussioni verte sulla possibilità di trovare qualche collegamento, per quanto vago, tra le idee, così inusuali, della meccanica ondulatoria e i concetti che avevano guidato il lavoro dei fisici atomici fino a pochi mesi prima.

Dopo aver sviluppato la statistica di un gas di particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli, Fermi applica lo stesso metodo per calcolare il potenziale efficace che agisce sugli elettroni di un atomo considerandoli come un gas di fermioni allo zero assoluto mantenuto intorno al nucleo dall'attrazione coulombiana. Da questa applicazione importante nasce il lavoro Un metodo statistico per la determinazione di alcune proprietà dell'atomo, oggi noto come metodo di Thomas-Fermi. Fermi non sa che L. H. Thomas è arrivato alle stesse conclusioni circa un anno prima, pubblicandole su una rivista non molto diffusa. Nel settembre del 1927, in occasione delle celebrazioni del centenario della nascita di Alessando Volta, viene organizzato un congresso internazionale di fisica a Como. Vi partecipano tutti i grandi della fisica mondiale. Arnold Sommerfeld presenta una serie di importanti risultati che mostrano l'importanza della nuova statistica di Fermi per l'interpretazione del comportamento degli elettroni nei metalli, assolutamente inspiegabile in base alle teorie classiche. Quando Fermi si stabilisce all'Università di Roma come titolare della cattedra di fisica teorica, non esiste alcun gruppo di ricerca. Persico è a Firenze, Corbino è impegnato su altri fronti e si impegna principalmente sull'attività didattica. Intorno a Fermi si forma il primo nucleo di una scuola italiana di fisica moderna. Su interessamento di Corbino Rasetti viene trasferito a Roma, mentre Emilio Segrè, Edoardo Amaldi e Ettore Majorana all'epoca sono ancora studenti, ma la "velocità della formazione di un giovane fisico alla scuola di Fermi era incredibile", come ricorda Emilio Segrè. Più tardi si unirà al gruppo anche Bruno Pontecorvo. Fermi è un insegnante nato. La grande chiarezza e la nettezza dell'esposizione derivano non soltanto dalle sue profonde conoscenze e dalla sua eccezionale lucidità, ma anche dal lavoro autonomo fatto all'epoca in cui era studente. Ama tenere lezioni di fisica elementare perché attribuisce una grande importanza a una buona preparazione in fisica classica. Il suo corso di fisica matematica costituisce una specie di enciclopedia contenente elementi di elettrodinamica, di teoria della relatività, di teoria della conduzione del calore, di teoria dell'elasticità e della diffusione.

Nel corso di quest'anno Fermi pubblica una serie di articoli in cui utilizza il modello di Thomas-Fermi per calcolare le proprietà degli atomi che variano con regolarità al variare del numero atomico.Nel 1928 Fermi pubblica il brillante manuale Introduzione alla fisica atomica che riempie una lacuna importante nella manualistica universitaria in lingua italiana.

Nel '29 Fermi approfondisce lo studio di questi lavori e decide, come fa spesso, di riformulare la teoria seguendo un approccio matematico a lui più familiare. Nel corso di queste ricerche personali, Fermi comunica regolarmente i suoi risultati ad allievi e amici, come Amaldi, Majorana, Racah, Rasetti e Segrè. Ogni giorno, alla fine del lavoro li raduna intorno al tavolo e in loro presenza inizia con l'elaborare prima la formulazione di base dell'elettrodinamica quantistica, di cui si sta interessando a fondo, e poi, prosegue facendo, una dopo l'altra, una lunga serie di applicazioni dei principi generali a particolari problemi fisici. Questo metodo, caratteristico di Fermi, di lavorare su un problema teorico "in pubblico" (per così dire) e di insegnare allo stesso tempo, gli permette di esprimere ad alta voce quello che sta pensando.

In questo periodo soggiorna a Roma il fisico tedesco Hans Bethe che rimane molto colpito dalla semplicità del metodo di lavoro di Fermi: "Egli era in grado di arrivare al nocciolo di qualsiasi problema, per quanto complicato fosse, spogliandolo dalle difficoltà matematiche e dall'inutile formalismo. Con l'aiuto di questo tipo di approccio era in grado, spesso in non più di mezz'ora, di risolvere il problema di fisica più complesso. Certamente, in questo modo non otteneva una soluzione matematica completa, ma dopo aver discusso con lui di quell'argomento, chiunque aveva chiaro qual era la via per la soluzione matematica.". Più avanti Bethe precisa: "Fermi era un buon matematico. Egli era in grado, se necessario, di fare i calcoli matematici più complessi, ma prima di ogni cosa egli doveva convincersi che ne valesse la pena". Intorno a Fermi e Franco Rasetti, abilissimo fisico sperimentale, che Fermi conosceva bene e con cui aveva lavorato fin dai tempi dell'università, si raccoglie ormai il gruppetto di giovanissimi fisici Emilio Segrè, Edoardo Amaldi e Ettore Majorana. Secondo la testimonianza di Franco Rasetti, Fermi è ben deciso a imparare le tecniche della fisica nucleare, molti anni prima che il suo nome diventi famoso in questo campo. Questa decisione viene messa in atto a partire dal 1930, quando i membri del gruppo di Roma iniziano a fare lunghi soggiorni presso i maggiori centri di ricerca all'estero per acquisire conoscenze relative a tecniche sperimentali allora sconosciute in Italia.

A partire dal 1929 Fermi e Rasetti avevano cominciato appunto a rendersi conto che il futuro stava ormai nel campo della fisica nucleare. A quell'epoca si conosceva l'esistenza di processi di decadimento che avvengono con l'emissione di una particella alpha o di una particella beta, accompagnati da emissione di raggi gamma. Fermi ha l'idea di organizzare un Congresso internazionale di fisica nucleare, che si tiene a Roma dall'11 al 17 ottobre del 1931. La presenza degli scienziati più eminenti nel campo della fisica nucleare conferisce all'evento una enorme importanza scientifica. In questa occasione Wolfgang Pauli avanza di nuovo, nel corso di conversazioni private, l'ipotesi dell'esistenza di una nuova particella "neutra, leggera e molto penetrante per salvare il principio della conservazione dell'energia nel decadimento b", come lui stesso racconta molti anni dopo a Franco Rasetti.

Una serie di scoperte e di eventi significativi contribuisce a focalizzare fortemente l'attenzione di una parte importante della comunità dei fisici sui fenomeni nucleari e sulle nuove possibilità di ricerca in questo campo. Possibilità che si amplificano enormemente grazie allo sviluppo, alla disponibilità e all'uso produttivo di nuovi acceleratori di particelle. Tutto comincia a gennaio: l'americano Harold Urey annuncia la scoperta di un isotopo pesante dell'idrogeno, da lui battezzato "deuterio". In febbraio James Chadwick dimostra l'esistenza di una nuova particella nucleare, il neutrone. In aprile John Cockcroft e Ernest Thomas Walton riescono ad ottenere la prima disintegrazione nucleare bombardando nuclei leggeri con protoni artificialmente accelerati. In agosto Carl Anderson individua, nelle immagini di tracce lasciate da raggi cosmici, l'esistenza di una nuova particella, l'elettrone carico positivamente, subito denominata "positrone". E' la conferma sperimentale dell'esistenza dell'antiparticella dell'elettrone prevista dalla teoria relativistica dell'elettrone di P. A. M. Dirac. Immediatamente Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini cercano e trovano non soltanto le tracce dei positroni nelle emulsioni già esposte, ma individuano anche eventi in cui è più evidente la creazione della coppia elettrone-positrone sotto l'effetto di radiazioni g ad altissima frequenza. Quella stessa estate Ernest Lawrence, Stanley Livingston e Milton White utilizzano per disintegrare nuclei il ciclotrone ideato da Lawrence, uno strumento che nel giro di pochi mesi sarà in grado di generare circa 5 MeV. Al ritorno di Rasetti da Berlino-Dahlem nell'autunno del 1932, si decide di dare inizio a un programma di ricerche in fisica nucleare. Gli strumenti vengono progettati e fatti poi costruire da ditte esterne. Il punto debole del dipartimento di fisica di Roma è proprio la mancanza di strumentazione e la mancanza di efficienza dell'officina per costruire gli apparati. Per la fine del 1933 la strumentazione nucleare sarà adeguata per fare ricerche secondo linee diverse.

Nell'ottobre di quest'anno Fermi partecipa al settimo Congresso Solvay: la fisica nucleare ha fatto passi da gigante a livello sperimentale e il modello del nucleo composto di protoni e neutroni è abbastanza ben stabilito attraverso il lavoro di Werner Heisenberg, Dimitri Iwanenko e Ettore Majorana. Due mesi dopo Fermi completa il suo celebre lavoro Tentativo di una teoria dei raggi beta, in cui applica la teoria quantistica dei campi alla radioattività beta: l'emissione di un elettrone è simile all'emissione di luce da parte di un atomo eccitato - né la particella b né il quanto di luce sono contenuti dentro l'atomo prima dell'emissione - ma l'emissione della particella b non è dovuta all'interazione elettromagnetica, bensì a una nuova classe di forze, che, molto più tardi, sarà conosciuta come interazione debole. Secondo la teoria elettroni e neutrini possono essere creati e distrutti; ogni transizione da neutrone a protone deve essere accompagnata dalla creazione di un elettrone e di un neutrino all'atto del processo di disintegrazione. In questo modo Fermi bandisce formalmente gli elettroni dal novero dei costituenti del nucleo e apre un nuovo campo della fisica delle particelle elementari, la fisica delle interazioni deboli. Inoltre chiarisce definitivamente che il neutrone non è un sistema legato protone-elettrone, come molti avevano pensato in un primo momento e spazza via ogni dubbio relativo alle congetture di Bohr sulla non conservazione dell'energia nei processi di decadimento. I risultati di Fermi aprono nuove prospettive alle ricerche già in atto sulle forze nucleari.

Nel mese di gennaio del 1934 Irène Curie e Frédéric Joliot annunciano la scoperta di nuovi radioisotopi ottenuti artificialmente bombardando i nuclei di elementi leggeri con particelle a. Fermi intuisce immediatamente che i neutroni possono essere validamente utilizzati come proiettili per indurre la radioattività artificiale: essendo privi di carica non sono soggetti alla repulsione coulombiana esercitata dai nuclei bersaglio. E' l'occasione per iniziare esperimenti su larga scala. Verso la fine di marzo vengono irradiati diversi elementi la cui attività viene misurata per mezzo di un contatore Geiger-Müller. Dopo una serie di tentativi infruttuosi fatti con la sorgente di polonio-berillio, Rasetti parte per il Marocco e Fermi inizia a bombardare in modo sistematico gli elementi del sistema periodico di numero atomico crescente utilizzando una sorgente neutronica più intensa costituita da radon e berillio. Sorgenti di questo tipo erano già state fornite da Giulio Cesare Trabacchi, dell'Istituto di Sanità (proprio per questo soprannominato dai membri del gruppo "La divina Provvidenza") e utilizzate con lo spettrometro a raggi gamma. Finalmente il contatore di Geiger-Müller registra alcuni conteggi irradiando il fluoro e l'alluminio. Secondo l'interpretazione data subito da Fermi il nucleo dell'alluminio assorbe un neutrone emettendo una particella a (nucleo di elio) trasformandosi in sodio che a sua volta decade trasformandosi in calcio con emissione di una particella b (elettrone). Il 25 marzo 1934 esce sulla rivista del CNR, La Ricerca Scientifica, l'articolo Radioattività provocata da bombardamento di neutroni-I il primo di una lunga serie di lavori che vedranno Fermi protagonista, insieme al suo gruppo, di un filone di ricerca i cui esiti sono per ora assolutamente insospettati. Per procedere più rapidamente Fermi chiede ad Amaldi e Segrè di lavorare con lui. Rasetti è richiamato dal Marocco e il chimico Oscar D'Agostino, appena tornato per le vacanze di Pasqua dal laboratorio dei Joliot-Curie, dove aveva appreso le tecniche di radiochimica, è sollecitato a unirsi al gruppo. In poco tempo vengono irradiati con neutroni una sessantina di elementi e in almeno quaranta di questi vengono scoperti, e spesso identificati, nuovi elementi radioattivi. I risultati ottenuti dal gruppo dei "ragazzi di via Panisperna" dimostrano tutti i vantaggi del lavoro di équipe, introdotto per la prima volta proprio a Roma. La grande importanza di questi risultati è immediatamente evidente. Il 24 aprile Ernest Rutherford, il padre della fisica nucleare, si complimenta con Fermi per il successo degli esperimenti: "Mi congratulo con lei per il successo della sua fuga dalla sfera della fisica teorica. Sembra proprio che lei abbia trovato una buona linea di ricerca per cominciare". Nel procedere con il bombardamento sistematico, Fermi e il suo gruppo, all'inizio dell'estate, arrivano a irradiare il torio (numero atomico 90) e l'uranio (numero atomico 92), ma la naturale attività di questi elementi ostacola l'identificazione dei nuovi radionuclidi artificiali ottenuti. Fermi e il suo gruppo dimostrano che l'attività di tali radionuclidi non è dovuta ad alcuno degli isotopi di elementi compresi fra il piombo e l'uranio, cioè con numero atomico compreso fra 86 e 92. Il gruppo è convinto di avere prodotto e identificato due elementi transuranici che vengono battezzati "esperio" e "ausonio" e accantona la possibilità che il nucleo di Uranio possa scindersi in "molti grandi pezzi" ciascuno dei quali può essere un isotopo di elementi noti ma lontani dall'uranio e dal torio nella tavola periodica. Questa ipotesi, esplicitamente avanzata dalla chimica tedesca Ida Noddack in un suo articolo del 1934 regolarmente inviato a Fermi, implica un tipo di reazione nucleare completamente nuovo e viene rapidamente accantonata. Altri quattro anni di ricerche portate avanti nei laboratori più importanti dell'epoca saranno necessari per svelare l'enigma dei "transuranici".
Nell'autunno del 1934 Fermi assegna ad Amaldi e Bruno Pontecorvo, appena laureato, il compito di stabilire una scala quantitativa delle attività indotte negli elementi bombardati. I due si trovano subito di fronte a una serie di problemi perché l'intensità della radioattività ottenuta sembra dipendere dal materiale su cui vengono posti la sorgente e l'elemento da irradiare, come ricorda Amaldi: "Certi tavoli con sopra uno spettroscopio avevano proprietà miracolose; l'argento irradiato su quei tavoli diventava molto più attivo rispetto a quando veniva irradiato su altri tavoli di marmo nella stessa stanza". Per chiarire il mistero vengono eseguite osservazioni sistematiche a partire dal 18 ottobre, in particolare Amaldi effettua una serie di misure all'esterno e all'interno di una sorta di casetta di piombo le cui pareti hanno 5 centimetri di spessore che serve da schermo per le radiazioni. I risultati mostrano chiaramente che, mentre all'esterno la capacità di attivazione decresce rapidamente con l'aumento della distanza fra sorgente ed elemento irradiato, all'interno la diminuzione è molto più lenta. A questo punto, per misurare l'assorbimento del piombo viene preparato un cuneo di questo materiale da inserire tra la sorgente di neutroni e il rivelatore con l'idea di confrontarne l'assorbimento rispetto a un mattoncino di piombo dello stesso spessore. La mattina del 22 ottobre i membri del gruppo sono impegnati con gli esami e Fermi decide di procedere da solo per risolvere l' "enigma del piombo". In quel momento soltanto Enrico Persico, in visita da Firenze, si trova con lui ed è lui stesso ad annotare le misure fatte da Fermi. Anni dopo Fermi racconterà a Subrahmanyan Chandrasekhar che al momento di collocare il cuneo di piombo, senza alcun particolare motivo, aveva deciso di mettere al suo posto un pezzo di paraffina. La sera stessa il gruppo scrive una lettera per La Ricerca Scientifica Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata dai neutroni-1 in cui annuncia la sensazionale scoperta: "Uno spessore di alcuni centimetri di paraffina interposto fra la sorgente e l'argento invece di diminuire l'attivazione la aumenta". I neutroni rallentati fino all'energia dell'agitazione termica delle molecole dalle collisioni con nuclei di idrogeno passano più tempo nelle vicinanze dei nuclei bersaglio diventando più efficaci nell'indurre la radioattività artificiale. La scoperta dell'effetto dei neutroni lenti apre una nuova fase nel programma di ricerca del gruppo che si concentra ormai sul problema degli effetti derivanti da questo fenomeno. La scoperta ha immediate applicazioni pratiche nella possibilità di produrre isotopi radioattivi artificiali da utilizzare per esempio come traccianti a scopi fisici, chimici e biologici. Orso Mario Corbino convince Fermi e i suoi collaboratori a prendere un brevetto.

A partire da quest'anno il gruppo comincia a disperdersi. Segrè si trasferisce a Palermo, dove ha vinto la cattedra di fisica sperimentale, Pontecorvo lavora con Gian Carlo Wick e poi si sposta a Parigi dai Joliot-Curie nella primavera del '36, mentre D'Agostino inizia a lavorare nell'Istituto di chimica del CNR. Durante l'estate Rasetti visita il laboratorio di Robert Millikan a Pasadena dove studia un acceleratore lineare ad alto voltaggio e il Radiation Laboratory a Berkeley dove si trova la nuova macchina acceleratrice ideata da Ernest Lawrence. Il ciclotrone produce fasci di neutroni di intensità incredibilmente più elevate rispetto a quelle ottenibili con le sorgenti naturali di cui dispongono i fisici romani. Rasetti trascorre l'anno accademico 1935-36 alla Columbia University, mentre Amaldi e Fermi restano i soli a fare ricerca sulle proprietà dei neutroni lenti, lavorando "con un'ostinazione incredibile", come ricorda lo stesso Amaldi, forse proprio per reagire a un'atmosfera che si fa sempre più plumbea. "Si iniziava alle otto del mattino e, praticamente senza intervallo, andavamo avanti fino alle sei, sette di sera e anche oltre. Le misure venivano realizzate in base a un preciso programma. Esse duravano tre-quattro minuti e si ripetevano per molte ore e anche per molti giorni se questo era necessario a risolvere il problema impostato. Risolto un problema, ne affrontavamo immediatamente un altro, senza interruzione, senza ombra di dubbio".

Nel giro di pochi mesi, a cavallo con l'anno precedente, Fermi e Amaldi pubblicano una serie di lavori su La Ricerca Scientifica che culminano con un ampio articolo inviato a Physical Review nel quale si illustrano una serie di risultati conclusivi dello studio sistematico sull'assorbimento e la diffusione di neutroni lenti. Da queste ricerche emerge un nuovo interessante fenomeno: il forte assorbimento, da parte di molti elementi, di neutroni la cui energia cinetica cade in alcune bande di energia caratteristiche del nucleo bersaglio. In seguito alla scoperta di queste risonanze Bohr propone nell'aprile del 1936 il cosiddetto "modello del nucleo composto", secondo il quale le reazioni nucleari possono suddividersi in due fasi: nella prima la collisione tra un neutrone e un nucleo pesante dà luogo alla formazione di un nucleo composto che sopravvive per un tempo relativamente lungo e successivamente si decompone secondo un processo che non ha alcuna relazione con il primo stadio e nel quale tuttavia si conservano l'energia totale, la parità e il momento angolare.

Nel gennaio del 1937 Fermi rimane privo del sostegno politico e scientifico di Corbino, che muore all'improvviso di polmonite. La sensazione della fine di un'epoca viene profondamente avvertita da tutti i membri dell'Istituto e in effetti il cambio di direzione dell'Istituto - il successore di Corbino è Antonino Lo Surdo, e non Fermi, come ci si sarebbe aspettato - e la situazione politica, che si sta deteriorando rapidamente, fanno presagire la catastrofe imminente. Nel frattempo Fermi riesce a far approvare insieme a Domenico Marotta, direttore dell'Istituto di sanità pubblica, una proposta per realizzare un acceleratore del tipo Cockcroft-Walton da 1 MeV, in grado di accelerare particelle fino a un'energia di un milione di Volt. Nel giugno del 1937 Fermi e il suo gruppo realizzano un prototipo in scala ridotta, da 200 keV, nei locali dell'Istituto di Fisica che nel frattempo si è trasferito da via Panisperna alla nuova città universitaria. L'acceleratore da 1 MeV verrà completato due anni dopo, quando Fermi ormai avrà lasciato l'Italia. Nel gennaio dello stesso anno Fermi presenta al CNR una dettagliata proposta per la costituzione di un Istituto nazionale di radioattività, nella quale fa notare come l'Italia, che fino a quel momento ha avuto una posizione preminente in questo campo di ricerca, stia perdendo decisamente terreno rispetto ai laboratori dotati di macchine acceleratrici che forniscono sorgenti artificiali di neutroni la cui intensità è "migliaia di volte superiore a quelle ottenibili partendo dalle sostanze naturali" e prosegue: "E' chiaro come queste circostanze rendano vano pensare a un'efficace concorrenza con l'estero, se anche in Italia non si trova il modo di organizzare le ricerche su un piano adeguato". Nel corso di una sua visita a Ernest Lawrence nell'estate del 1937 Fermi esamina concretamente la possibilità di realizzare in Italia un ciclotrone "economico". Ma nel luglio 1937 muore improvvisamente Guglielmo Marconi, che nella sua veste di presidente del CNR e dell'Accademia d'Italia era stato un valido sostenitore del gruppo, nonostante le sue numerose richieste per ottenere fondi per la ricerca non fossero del tutto in consonanza con l'idea che Mussolini aveva riguardo al ruolo della scienza nello Stato fascista.

Fermi arriva a New York il 2 gennaio e molto presto viene a conoscenza della scoperta della fissione dell'Uranio. L'articolo di Hahn e Strassmann è pubblicato in gennaio ma, come ricorda Segrè, "La notizia di queste sensazionali scoperte si diffuse a voce, per lettera e per telegramma mentre il lavoro procedeva e prima che fosse stato pubblicato qualsiasi risultato".Il 26 gennaio, all'inizio della VI Conferenza di Fisica Teorica tenuta a Washington Fermi avanza l'ipotesi che in una reazione così violenta i nuclei possano emettere neutroni, che, a loro volta, sarebbero in grado di provocare una nuova fissione. Una dimostrazione del processo di fissione viene organizzata per i partecipanti al convegno. Era possibile sviluppare una reazione a catena? Fermi insiste sulla necessità di effettuare misure quantitative e un mese dopo il suo arrivo alla Columbia University, insieme a un gruppo di lavoro di cui fanno parte il giovane Herbert Anderson e J.R. Dunning (suo relatore), firma il suo primo articolo "americano". In seguito sarà impossibile seguire il lavoro di Fermi attraverso la letteratura periodica pubblica. Le relazioni vengono dichiarate "top secret".
Nella primavera Fermi, Anderson e Leo Szilard pubblicano Neutron Production and Absorption in Uranium [Produzione e assorbimento di neutroni in Uranio]: il numero di neutroni emessi dall'Uranio sotto l'azione dei neutroni lenti è maggiore di quelli assorbiti. E' la condizione necessaria per realizzare una reazione a catena. La maggior parte dei progressi fondamentali per la fisica dei reattori verranno realizzati durante il 1939 e il 1940. Fermi è il primo a informare le autorità militari sulle possibili implicazioni belliche di una eventuale reazione a catena: nel mese di marzo tiene una conferenza al Ministero della Marina in seguito alla quale viene concesso un piccolo finanziamento per queste ricerche alla Columbia University. All'inizio dell'estate del 1939 Szilard, insieme a Paul Wigner, ungherese anche lui, convince Albert Einstein a firmare una lettera indirizzata a F. D. Roosevelt, all'epoca Presidente degli Stati Uniti, in cui vengono messe in evidenza le ricerche di Fermi e Szilard negli Stati Uniti e di Joliot in Francia sulla reazione a catena e la quasi certezza di poter "pervenire a questo risultato nell'immediato futuro".Il comitato riesce a ottenere una certa quantità di fondi per proseguire le ricerche sulla reazione a catena da parte delle forze armate americane.

1940-1954

Per la sua esperienza nella fisica dei neutroni, Fermi diventa il leader naturale del gruppo incaricato di portare a termine la prima fase del progetto che porterà alla bomba: la realizzazione di una reazione a catena autosostenuta e controllata; il lavoro, coperto dal segreto militare, viene svolto in uno scantinato dell'università di Chicago, designato con il nome in codice di Metallurgical
Laboratory. Nel dicembre 1942, la prima reazione nucleare controllata della storia viene innescata nel reattore costruito sotto la direzione di Fermi. Parte il progetto Manhttan, in cui Fermi svolge un ruolo di primo piano come esperto di reattori nucleari, consulente generale sulle questioni treoriche e infine membro del ristretto gruppo di scienziati (ne fanno parte Robert Oppenheimer, Ernest Lawrence e Arthur Compton) incaricato di esprimere pareri tecnici sull'utilizzo di un arma nucleare. Nell'agosto del 1944 Fermi di trasferisce stabilmente nel villagio-laboratorio di Los Alamos, seguendo tutta la fase di messa a punto della bomba atomica, assistendo nel luglio del 1945 alla prima esplosione nucleare nel deserto di Alamogordo e contribuendo, nella qualità di esperto al processo decisionale che porta nell'agosto successivo all'utilizzo delle armi atomiche contro le città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki. Alla fine della guerra, Fermi torna a Chicago e ricomincia ad occuparsi di problemi di fisica fondamentale nel mutato panorama intellettuale generato dalla scoperta delle proprietà della nuove particelle elementari e dei problemi dell'elettrodinamica quantistica. In Questi anni si forma attorno a lui un nutrito gruppo di studenti, tra cui un buon numero di futuri premi Nobel. Continua Comunque a svolgere funzioni importanti di consulente scientifico per il governo americano. Verso la fine degli anni quaranta si pone il problema dell'eventuale sviluppo delle ricerche verso la realizzazione di un ordigno termonucleare. Fermi si schiera contro, in qualità di membro del GAC in modo molto deciso contro l'opportunità di iniziare uno sforzo in questa direzione ma quando, contro il parere suo e dei suoi colleghi, vince la linea sostenuta da Teller e parte il programma di sviluppo dell'ordigno termonucleare, accetta di collaborare alle ricerche, sviluppando con il matematico Stan Ulan una parte importante dell'elaborazione teorica necessaria. E' nell'ambito di queste ricerche che Fermi sviluppa l'interesse per le possibilità aperte dai nuovi calcoratori elettronici, e nei primi anni cinquanta, sempre in collaborazione con Ulam, svolge un lavoro fondamentale e pionieristico di utilizzo del computer come strumento di simulazione per ricostruire la proprietà del comportamento di sistemi dinamici non lineari, la cui evoluzione non si è in grado di descrivere con un trattamento analitico.
Fermi torna due volte in Italia. Nel 1949 partecipa ad un importante conferenza sui raggi cosmici a Como e nel 1954 tiene, alla scuola estiva della Società Italiana di Fisica a Varenna un memorabile corso sulla fisica dei pioni e dei nucleoni. Di ritorno a Chicago da questo ultimo viaggio, viene operato per un tumore maligno allo stomaco, ma sopravvive solo poche settimane all'intervento. Si spegne il 29 novembre del 1954.