Мезо́нная хи́мия, метод изучения структуры вещества, основанный на использовании специфических свойств мюонов ($μ^+$, $μ^-$) и отрицательно заряженных мезонов ($π^-$, $Κ^-$). Сталкиваясь с атомами и молекулами, отрицательно заряженные мюоны и мезоны ($μ^-$, $π^-$, $Κ^-$) могут заместить один из электронов атомной оболочки и образовать мезоатомы и мезомолекулы. В мезонной химии изучаются и/или используются химические превращения мезоатомов (мезомолекул), а также систем, в которых функцию ядра атома выполняют $μ^+$-мюоны.

Метод применяется для исследования химической и кристаллической структуры веществ, их магнитных свойств, моделирования химических реакций атомов и т. д. Возник в 1960-х гг.

В мезонной химии можно выделить несколько основных направлений. Мюонные атомы и молекулы образуются, как правило, в высоковозбуждённых состояниях (n порядка 14) и затем переходят в основное состояние (n = 1), испуская $γ$-кванты. Интенсивность этих переходов зависит от заряда ядра $Z$ атомов химических элементов, входящих в состав молекул, и от типа химической связи между атомами (в частности, от степени ионности). Поэтому, измеряя частоту и распределение интенсивностей $γ$-переходов, можно определять элементный состав вещества и строение химического соединения, в которое входит исследуемый элемент (химическую структуру).

Согласно квантовой механике, размеры мезоатомов $Z_0μ^-$ в основном состоянии меньше размеров обычных атомов более чем в 200 раз. Поэтому при захвате $μ^-$-мезонов образуются мезоатомы, в которых заряд ядра уменьшается на единицу (мезoатом $Z_0μ^-$ «становится» ядром соседнего атома с зарядом $Z=Z_0- 1$). Поскольку мюон распадается за время 2,2·10^–6 с, мезоатомы $Z_0μ^-$ можно использовать подобно радиоактивным изотопным индикаторам и, наблюдая реакции мезоатома $Zμ^-$, получать информацию о механизме химических реакций атома $Z$ с зарядом $Z=Z_0- 1$ (например, мезоатом неона $^{20}Neμ^-$ может служить моделью атома фтора ${^{19}F}$).

Мезоатом водорода $pμ^-$ (состоящий из протона и отрицательно заряженного мюона $μ^-$) электронейтрален, а его размеры малы (около 10^–11 см), поэтому он, подобно нейтрону, может свободно проникать внутрь электронных оболочек других атомов и молекул (в молекулах расстояние между ядрами около 10^–8 см), образуя с их ядрами мезомолекулы. В частности, при торможении отрицательно заряженных мюонов в смеси изотопов водорода – дейтерия и трития генерируются мезомолекулы $(dμ^-t)^+$, в которых происходит мюонный катализ реакции взаимодействия ядер дейтерия и трития с образованием иона гелия и нейтрона по схеме: $$(dμ^-t)^+→{^4He^+}+n+μ^-,$$причём один мезон за время жизни может осуществить более 100 циклов $μ$-катализа.

Положительно заряженный мюон $μ^+$, объединяясь с электроном, образует атом мюония $μ^+e^-$, который, с одной стороны, подобен атому водорода $pe^-$, а с другой – позитронию $e^+e^-$. За движением позитрония можно проследить, наблюдая частоту прецессии $ω_m$ его спина в магнитном поле. При вступлении мюония в реакцию связь спинов разрывается и вместо частоты $ω_m$ наблюдается частота прецессии $ω_μ^+$ свободного $μ^+$. Этот процесс позволяет моделировать химические реакции с участием атомарного водорода и измерять их абсолютные скорости.

Специфические эффекты наблюдаются также при захвате $π^-$-мезонов ядрами атомов водорода в смесях и в химических соединениях водорода с другими атомами. Например, вероятность захвата $π^-$-мезона ядрами водорода в составе молекулы аммиака NH₃ в 10 раз меньше, чем в эквивалентной смеси ${N_2 + 3H_2}$.