Quando Enrico Fermi fu chiamato a Roma da Orso Maria Corbino sulla cattedra di fisia teorica, i suoi interssi riguardavano quasi esclusivamente tale disciplina. Ma ben consapevole del ruolo fondamentale anche della fisica sperimentale, Fermi volle con sè Franco Rasetti, valente spettroscopista, suo compagno di studi a Pisa e con il quale aveva collaborato durante il breve periodo trasorso a Firenze.
Gli interessi e le competenze di Rasetti ben si armonizzavano con la valida strumentazione spettroscopica già presente nel Regio Istituto Fisico di via Panisperna. Prese così le mosse un'attività sperimentale nel settore della spettroscopia ad opera di Fermi e Rasetti, alla qiuale successivamente si unirosno Emilio Segrè e Edoardo Amaldi.
Rasetti in seguito ricorderà:
"L'attività del gruppo negli anni 1927-31 si svolse quasi interamente nel campo della spettroscopia atomica e molecolare, che fornisce la massima parte delle informazioni sulla struttura di questi sistemi, anche perché ne conoscevamo bene la tecnica e avevamo strumenti adeguati. Fermi partecipava agli esperimenti e all'interprestazione teorica dei risultati".
E Segré affermerà:
"A Roma la nostra tradizione sperimentale risaliva in gran parte agli studi di spettroscopia; tutti i nostri successi in fisica sperimentale fino ad allora [1931] erano stati ottenuti in campo spettroscopico, la nostra attrezzatura era spettroscopica e le nostre conoscenze erano soprattutto nel campo della spettroscopia".
L'attività spettroscopica del gruppo è documentata nel museo da due grandi spettrografi Littrow della Hilger, il più grande (lungo tre metri) per il visivile, l'altro (lungo un metro e mezzo) per l'ultravioletto: i cossidetti coccodrilli.
Sono inoltre conservate in una vetrina le lastre fotografiche degli spettri dei più rilevanti esperimenti condotti da Rasetti, Fermi, Segré e Amaldi.
Dopo aver ottenuto significativi risultatit in spettroscopia atomica e molecolare (in particolare nello studio dell'effetto Raman), il gruppo Fermi giunse alla conclusione che la fisica atomica non offriva più un campo di indagine con grandi prospettive e fu deciso di intraprendere ricerche di fisica nucleare, decisione che, usando le parole di Segré, "richiedeva un cambiamento nei programmi di ricerca del gruppo". Rasetti così descriverà questa scelta del nuovo programma di ricerca:
"Verso il 1931, Fermi e anche gli altri del gruppo si avidero che l'avvenire della spettroscopia, e più in generale della fisica atomica, appariva piuttosto limitato. Fermi previde che l'interessa si sarebbe spostato dalle parte esterne dell'atomo al suo nucleo centrale, centomila volte più piccolo in diametro dell'atomo stesso".
In quegli anni la fisica nucleare era incentrata sullo studio delle interazioni delle particelle energetiche emesse dalle sostanze radioattive, ovvero particelle alfa (nuclei di elio), particelle beta (elettroni), raggi gamma (fotoni). Le tecniche di rivelazione delle particelle erano basate sull'impiego di rivelatori a conduzione elettrica nei gas (camere a ionizzazione, contatori Geiger-Muller) e sulla camera di Wilson.
I componenti del gruppo Fermi, anche grazie al soggiorno presso i maggiori centri europei di ricerca sperimentali sulla fisica nucleare, ben presto si impadronirono di queste tecniche e furono realizzate a Roma camere a ionizzazione, contatori Geiger-Muller di varie dimensionie caratteristiche, due camere di Wilson, la strumentazione di supporto a questi rivelatori e un elettromagnete trocoidale.
Nel 1932, poco dopo che i ragazzi di Corbino avevano cominciato ad interessarsi del nucleo, J. Chadwick sciorì il neutrone bombardando con particelle alfa atomi (nuclei) di berillio e di altri elementi leggeri, e subito fu chiaro che i neutroni sono, insieme ai protoni, i costituenti del nucleo (fino ad allora ritenuto costituito da protoni e elettroni). Fermi, ipotizzando l'instabilità del neutrone e il suo decadimento in un protone, un elettrone e un neutrino, formula nel 1933 la teoria del decadimento beta e scopre che responsabile di questo processo è un nuovo tipo di interazioni (dette in seguito interazioni deboli o fermiane), che prendono così il loro posto accanto alle interazioni gravitazionali, elettromagnetiche, nucleari (responsabili della coesione del nucleo).
All'inizio del 1934 Fermi, avuta notizia della scoperta da parte dei coniugi Joliot-Curie della radioattività artificiale prodotta bombardando nuclei leggeri (non radioattivi) con particelle alfa, decide di provare a provocare la radioattività artificiale usando come proiettili i neutroni, i quali, per l'assenza di carica elettrica, non risentono della repulsione coulombiana dei nuclei contro i quali vengono scagliati e dovrebbero quindi essere molto più efficaci delle particelle alfa (cariche positivamente proprio come i nuclei) a tale scopo. Seguendo un resoconto di Amaldi,
"Fermi si fece preparare da G. C. Trabacchi una sorgente di neutroni ottenuta mescolando polvere di berillio con emanazione di radio. Dopo pochi tentativi infruttuosi, l'esperienza diede esito positivo e Fermi poté annunciare nel marzo 1934 la scoperta della radioattività provocata da neutroni. Nell'Istituto di Fisica dell'Università di Roma cominciò subito un lavoro febbrile [nel quale erano impegnati Fermi, Rasetti, Amaldi, Segré e il chimico O. D'Agostino. Fermi non solo dirigeva il lavoro altrui ma prendeva parte egli stesso a tutti i tipi di misurazioni fisiche e manipolazioni chimiche dedicandosi anche alla esecuzione materiale di pezzi di vetreria e di officina. Nel giro di pochi mesi furono prodotti oltre quaranta nuovi corpi radioattivi; molti di essi furono individuati chimicamente e fu dimostrato quale fosse il corrispondente processo nucleare di produzione".
Il direttore dell'Istituto Fisico di via Panisperna, O.M. Corbino, nel discorso su "Prospettive e risultati della fisica moderna" tenuto nel giugno 1934 presso l'Accademia dei Lincei così riassume le ricerche del gruppo Fermi:
"[Recentemente] una nuova scoperta metteva a disposizione dei fisici un corpuscolo di natura singolare. Quando la particella alfa del radio colpisce il berillio, il nucleo di questo, scomponendosi, dà origine a un frammento espulso con grande velocità e che è dotato di massa 1, come il nucleo dell'idrogeno, ma del tutto privo di carica elettrica. E' questo il neutrone [...], uno dei costituenti del nucleo. Il nuovo proiettile, essendo privo di carica,[...] può raggiungere il nucleo senza la repulsione elettrostatica, [anche] nel caso dei nuclei di alto numero atomico dotati della più forte carica positiva. I fisici francesi Joliot e Curie, esaminando gli effetti del bombardamento con raggi alfa [su tre tipi di nuclei leggeri] osservarono che il proiettile, il quale normalmente determina l'esplosione immediata del nucleo colpito, viene talvolta assorbito da questo e solo dopo qualche tempo dall'urto segue l'esplosione. Ciò significa che il nucleo, dopo aver assorbito il proiettile, si comporta come uno di quegli atomi radioattivi naturali che di tempo in tempo esplodono spontaneamente: perciò fu dato al fenomeno il nome di radioattività artificiale. L'esperienza dei due fisici francesi è stata ripresa a Roma dal professor Fermi ricorrendo al bombardamento con neutroni anziché con particelle alfa. E i risultati sono stati di gran lunga più copiosi e brillanti, poiché anziché mostrarsi attivi soltanto tre o quattro elementi, ben 45 su 62 finora cimentati hanno dato risultati positivi; e in particolare si è potuto mettere in evidenza l'azione esercitata sugli elementi pesanti, che avevano resistito finora ad ogni tentativo di [attivazione] artificiale, dimostrandosi vulnerabile perfino l'uranio che rappresenta l'estremo della serie degli elementi conosciuti. Le reazioni nucleari che producono gli effetti osservati dal Fermi sono naturalmente diverse per i vari elementi studiati, e alcune non sono ancora definitivamente chiarite, nonostante l'intenso lavoro svolto in così breve tempo da lui e dai suoi valorosi collaboratori Rasetti, Segré, Amaldi, D'Agostino".
Nell'ottobre del 1934 Fermi e i suoi collaboratori, ai quali si era unito il neolaureato Bruno Pontecorvo, scoprirono un altro importante fenomeno. L'intensità della radioattività provocata dai neutroni nel medesimo campione variava in alcuni casi sensibilmente al variare dei materiali posti in prossimità della sorgente di neutroni e del campione. Ben presto ci si rese conto che la radioattività veniva in questi casi grandemente esaltata semplicemente circondando la sorgente e il corpo da irradiare con una sostanza idrogenata come la paraffina o l'acqua. Amaldi ricorda che:
"Poche ore dopo la scoperta del fenomeno, Enrico Fermi ne aveva dato una chiara interpretazione e aveva scritto alcune delle formule fondamentali che lo regolano. L'effetto delle sostanze idrogenate, come fu allora chiamato, coinvolge la scoperta di due fenomeni: l'uno è il fatto che per urti successivi contro gli atomi di idrogeno [o comunque contro atomi leggeri, ovvero che abbiano massa confrontabile con quella del neutrone] i neutroni possono rapidamente perdere la loro energia fino a ridursi a neutroni lenti; l'altro è che questi neutroni lenti sono estremamente più efficaci di quelli veloci nel produrre certi processi nucleari. Questa scoperta apriva la via a uno studio delle proprietà dei neutroni lenti, studio che veniva svolto da Fermi e collaboratori nel periodo che va dalla fine del 1934 alla metà del 1936".
Le scoperte del gruppo Fermi sono magistralmente esposte e analizzate in un lungo articolo di Edoardo Amaldi, From the discovery of the neutron to the discovery of nuclear fission (Physics Reports 111, 1 (1984)).