Ферми предложил провести опыт с большим количеством воды. Если его теория была верна, то большое количество водорода в воде произвело бы такой же эффект, что и парафин. Исследователи решили пойти к фонтану в частном саду сенатора Корбино, который, будучи начальником отделения, жил на четвертом этаже здания на улице Панисперна. Погрузив нейтронный источник и серебряный цилиндр в воду, они увидели, что, как и ожидалось, радиоактивность значительно увеличилась. Ферми был прав. В ту же ночь ученые написали статью для La ricerca scientifica под названием «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами», за которой последовали еще несколько работ, дополняющих ее.

Через пару дней после этого вторжения Корбино увиделся с исследователями в лаборатории и попытался убедить их больше ничего не публиковать о медленных нейтронах. Сначала Ферми был очень удивлен, но прагматичный Корбино объяснил ему свою позицию: их открытие могло быть использовано в промышленных целях, а потому его надо запатентовать. Он сразу понял, что радиоактивные изотопы можно применять, например, в медицине как маркеры, а также в ядерных технологиях. В декабре того же года ученые начали готовить документы, и 26 октября 1935 года Ферми, Разетти, Сегре, Амальди, Д’Агостино, Понтекорво и Трабакки (химический поставщик) получили первый патент (под номером 324458). В 1953 году после нескольких лет разбирательств правительство США выплатило 400 тысяч долларов за права на этот патент, по 24 тысячи долларов Ферми и каждому из членов группы, а также покрыло все судебные издержки.

К сожалению, когда в ходе бомбардировки урана Ферми увидел, что радиоактивность превышала предполагаемую, он не понял, что речь шла о делении ядра, о котором писала немецкий химик Ида Ноддак. Это была «большая ошибка Ферми», как он сам смиренно признавал, но именно благодаря ей ни у США, ни у Германии не оказалось перед началом Второй мировой войны готовой ядерной бомбы.

В диаграмме Сегре представлено число нейтронов (АО по сравнению с протонами (2) в каждом ядре. Стабильность ядер увеличивалась больше от нейтронов, чем от протонов. Серым обозначен период полураспада изотопов, а черным — зона стабильных ядер.

Скорость частиц, с помощью которых осуществлялась бомбардировка, имела решающее значение для получения радиоактивных материалов. Получив финансирование от фонда Алессандро Вольты, Ферми между 1935 и 1936 годами отправил Разетти на стажировку в лабораторию Милликена в Пасадину и в Беркли (где Лоуренс разработал ускоритель частиц), Понтекорво — в Париж в лабораторию Жолио-Кюри, а д’Агостино — в Национальный химический институт. Тем временем Сегре в 1935 году женился и получил место заведующего кафедрой экспериментальной физики в Палермо. Вскоре Амальди и Ферми остались в Риме единственными, кто продолжал исследования, начатые с бомбардировок медленными нейтронами и с создания радиоактивных изотопов. Вместе они открыли, что процесс захвата нейтрона ядром обратно пропорционален скорости самого нейтрона. Ферми разработал уравнение диффузии, которое объясняло и поглощение нейтронов ядрами, и диффузию медленных нейтронов. В нем ученый анализировал время жизни нейтрона с момента его создания в источнике до того, как он становился частью материала, с которым сталкивался (то, что сегодня называется временем Ферми). Ферми и Амальди написали несколько статей для La ricerca scientifica и летом 1936 года, воспользовавшись пребыванием в Колумбийском университете, опубликовали полученные результаты в журнале The Physical Review в статье «О поглощении и диффузии медленных нейтронов» Амальди задержался в США на месяц и принял участие в создании линейного ускорителя протонов. Позже Сегре предложил графическое изображение различной способности ядер поглощать нейтроны, известное сегодня как диаграммы Сегре (см. рисунок на предыдущей странице).

Тем временем ситуация в Италии становилась все сложнее из-за радикализации фашизма. Муссолини захватил Эфиопию, что привело к международному кризису. Девятого мая 1936 года он провозгласил Италию империей, а Виктора Имануила III — императором. В октябре — создал ось Рим — Берлин, подписав с нацистской Германией пакт, по которому эти страны становили внешнеполитическими союзниками.

К рабочим успехам Ферми, плодам упорных трудов добавилась и личная радость: 16 февраля 1936 года у него родился сын Джулио. То ли из отцовского инстинкта, то ли из страха, возникшего после того, как Гитлер нарушил Версальский мирный договор и ввел войска в долину Рейна в марте 1936 года, однажды вечером Ферми принес домой противогазы для всей семьи, чем немало удивил жену. Группа «ребят с улицы Панисперна» распалась, и, хотя это расставание должно было быть временным, как это бывало и раньше, неспокойная обстановка в муссолиниевской Италии не обещала ничего хорошего. Словно в преддверии будущих трудностей все отделение физики переселили с улицы Панисперна в новый кампус на востоке Рима. В довершение всего 23 января 1937 года внезапно скончался сенатор Корбино. Для Ферми это было тяжелым ударом, и он посвятил наставнику хвалебную статью: «Учитель: Орсо Марио Корбино», еще не зная, что в том же году ему предстоит написать еще одну — «Памяти лорда Резерфорда* для журнала Nature — и что в июле умрет и Гульельмо Маркони. Уход этих ученых не оставил Ферми равнодушным. Он был им бесконечно благодарен за помощь и поддержку в создании новой физики. И Маркони, и Корбино отстаивали перед дуче его идеи, последней из которых было создание новой национальной физической лаборатории с большим ускорителем частиц.

Как и следовало ожидать, Ферми не стал преемником Корбино: на это место был поставлен приближенный к Муссолини сенатор Антонио Ло Сурдо. Ферми решил сконцентрироваться на изучении ускорителей частиц. В новой лаборатории был сконструирован прототип на 200 кВ и был открыт способ простого получения ускоренных до 200 кэВ ионов дейтерия.

Влияние немецкого национал-социализма в Италии становилось все сильнее. Когда в июле 1938 года Муссолини издал Итальянский расовый манифест, антисемитские настроения уже нашли поддержку среди населения. Однако Лаура была еврейкой, и Ферми не соблюдал законы, установленные режимом,— собственно, именно это и стало причиной, по которой ему не позволили занять место Корбино и отказали в открытии нового исследовательского центра. Ферми понимал, что эмигрировать всей семьей будет сложно: до этого, когда они выезжали за границу, по крайней мере дочь Нелла оставалась в Италии. После публикации Расового манифеста евреев исключили из университетов и других государственных учреждений, а приветствие в виде римского салюта стало обязательным. Энрико и Лаура твердо решили покинуть страну. Они намерились отправиться в Соединенные Штаты — ученый уже получил приглашения от ряда американских университетов.

Деление ядра — это его расщепление на два или более маленьких ядра и другие элементарные частицы, например нейтроны или фотоны. Процесс происходит при бомбардировке тяжелого атома нейтронами, поэтому, если в результате деления также образуются нейтроны, может возникнуть цепная реакция. Атом урана-235 можно делить разными способами. Статистически наиболее вероятно, что при его делении появляются ксенон и стронций, образуя два нейтрона с высвобождением энергии, или криптон и барий (см. рисунок), образуя три нейтрона с высвобождением энергии. Нейтроны, появляющиеся в процессе деления, могут поглощаться или провоцировать цепную реакцию. Также уран может делиться на рубидий и цезий, опять же с высвобождением двух нейтронов. Чтобы контролировать цепную реакцию, необходимо определить, сколько нейтронов высвобождается в среднем и какова их энергия.