3年，于东北帝国大学召开的「日本数学物理学会年会」上与当时身为大坂帝国大学理学部物理学科（塩见理化学研究所）主任教授的八木秀次相识，在八木的帮助下兼任了该校讲师一职。在此期间，和大坂胃肠病院（1950年后改名为汤川胃肠病院）院长汤川玄洋的次女结婚，并入赘汤川家，由小川改姓为汤川。在1935年，他在《日本数学和物理学会杂志》发表“关于基本粒子的相互作用”论文，解释了原子核之内质子与中子之间的相互作用，提出核子的介子理论并预言介子的存在。1947年，英国的塞西尔·鲍威尔等人在宇宙射线中发现了π介子，