Con Roma capitale del Regno d'Italia e la nuova politica scientifica di Quintino Sella, si creano le premesse per una rinascita dell'ateneo romano. Nel 1880 il Regio Istituto di Fisica si trasferisce a via Panisperna. Pietro Blaserna (1836-1918), nominato direttore già nel 1873, riforma alla base l'insegnamento universitario in fisica e realizza un Istituto all'avanguardia in Europa, per la concezione degli spazi e delle strutture dedicate alla didattica e ai laboratori di ricerca.

Nei primi decenni del Novecento, con la relatività e la teoria dei quanti, si affermano nuove concezioni che rivoluzionano la fisica classica. Nel 1918 Orso Mario Corbino (1876-1937) succede a Blaserna nella direzione dell'Istituto Fisico di Roma. Aperto ai nuovi settori di ricerca, sia teorici sia applicativi, e a una politica scientifica attenta anche ai problemi dell'industria in graduale crescita in Italia, Corbino è l'uomo nuovo che realizza le condizioni favorevoli per la nascita del gruppo Fermi. .

La sezione è dedicata agli anni giovanili di Enrico Fermi (1901-1954) e al suo interesse straordinario per la fisica, che studia praticamente da autodidatta. Dal 1918 al 1922 frequenta a Pisa il corso di laurea in fisica alla Regia Scuola Normale. Alla fine del 1925 formula una nuova statistica (di "Fermi-Dirac") a cui obbedisce, nell'ambito della teoria dei quanti, un numero elevatissimo di particelle identiche soggette al principio di esclusione. La nuova statistica si rivela ben presto uno strumento fondamentale nella teoria elettronica dei metalli e contribuisce a consolidare a livello internazionale la fama del giovane Fermi.

Nel 1930 il gruppo di Roma sposta i suoi interessi verso la fisica nucleare, un tema di grande attualità e denso di problemi da risolvere, primo fra tutti la costituzione del nucleo e il decadimento radioattivo beta (quando il nucleo decade emette un elettrone con uno spettro continuo di energia). A questi temi è dedicato il Convegno internazionale di fisica nucleare a Roma del 1931, al quale intervengono i fisici più prestigiosi dell'epoca. Nel 1933 Fermi formula la teoria del decadimento beta, che segna la nascita della fisica teorica delle particelle elementari.

Il gruppo di Roma, tra il 1932 e il 1933 si impadronisce del know how sulle tecniche di rivelazione in fisica nucleare. Dopo che i Joliot-Curie erano riusciti a ottenere atomi radioattivi bombardando elementi leggeri non radioattivi con particelle alfa, Fermi, all'inizio del 1934, prova a indurre la radioattività usando come proiettili i neutroni. Nel marzo dello stesso anno, annuncia sulla rivista "La ricerca scientifica" la scoperta della radioattività indotta dai neutroni, illustrata in questa sezione.

Nell'autunno del 1934, Fermi e il suo gruppo, al quale si è unito anche Bruno Pontecorvo, scoprono che la radioattività provocata dai neutroni aumenta sensibilmente usando "neutroni lenti". Nella sezione viene spiegata la scoperta e illustrata l'applicazione da parte di Fermi al reattore nucleare a fissione.