Un anno indimenticabile: il 1934

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 avellinese 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 che al momento di collocare il cuneo di piombo, senza alcun particolare motivo, aveva deciso di mettere al suo posto un pezzo di paraffina. Altri, come il chimico avellinese Oscar D’Agostino, sostengono che la scoperta fu dovuta al caso, ovvero alla scelta della donna delle pulizie, Sora Cesarina, di lasciare il secchio con l’acqua proprio sotto il tavolo di marmo di Pontecorvo, e che la presenza dell’acqua  produceva il rallentamento dei neutroni e l’aumento della radioattività dell’argento. 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.