质子刀(Proton knife)，为质子加速器的一种商业应用；其主要的应用领域在医学上为癌症肿瘤的放射性治疗，而在半导体或太阳能科学上则是切割晶圆(wafer)或太阳能基板(solar substrate)。
质子刀之原理为利用带正电荷的质子在电场中持续加速，达到一定速度和能量之后，射入标的物之内，利用布拉格尖峰(Bragg peak)现象，对特定标的物内在某一深度位置释放大量能量，以达到对物体特定深度区域进行破坏之目的。质子刀属于质子加速器的一种商业应用，早期质子加速器都是应用在粒子物理学上的质子加速撞击以发现新的粒子；全世界最大的质子加速器设置于欧洲核子研究中心(CERN)。目前已趋成熟的质子加速器技术则应用到许多不同的商业领域。
质子刀目前已经成熟的应用为医学上的肿瘤放射治疗和半导体或太阳能产业的晶圆或基板切割。商业应用的质子刀所使用之质子材料目前有两种，一种为氢原子的原子核，质量为一个质子，所带电荷为 + 1；另外一种为碳原子的原子核，值量为十二个质子，所带电荷为 + 6。后者因为较重之缘故，又称为重粒子质子加速器。
在医学肿瘤放射治疗上所使用的质子刀，大都采用由碳原子之原子核所制成的重粒子质子加速器，原因是其所携带的能量较大，治疗效果较显著。在实际治疗时，将质子刀以三度空间对位瞄准患者之肿瘤位置，透过携带能量之质子在特定深度会释放大部分能量的布拉格尖峰现象，将大量能量释放于肿瘤中(癌症病灶区)，以达到破坏肿瘤中之癌细胞而不破坏肿瘤外其他正常细胞，乃至最后消除肿瘤之目的。比起传统的X光放射性治疗或伽㐷刀、光子刀等治疗，质子刀治疗对病灶区周边正常细胞的伤害小很多，相对地副作用也较少。质子刀治疗为目前全世界最先进的肿瘤放射治疗技术，但以质子刀为主要设备之质子治疗中心因为设置费用非常昂贵，到2012年为止全世界已成立的质子治疗中心只有约四十座，所治疗的病人总共约七万人。中国之第一座质子治疗中心于2004年12月开始临床使用，台湾第一座质子治疗中心则于2016年开始临床使用。
在半导体晶圆切割应用上所使用的质子刀，其采用的质子材料则是另外一种由氢原子之原子核所制成的质子加速器。其方法为在真空中将被加速到 1.2 百万电子伏特(MeV)的氢离子均匀地植入(implant)到离晶圆表面深度为20微米(1微米=10的-6次方米)的一个平面位置(植入深度和氢离子的植入速度有关)，然后再将晶圆在大气环境中加热，让氢离子的热膨胀效应在该深度层产生均匀的膨胀力，使该层晶圆自然剥离母层。此种质子刀可以将原来用机械切割研磨的晶圆，厚度为600微米，切割到厚度为20微米(20微米约为人类头发厚度之一半)的超薄晶圆并可重复切割；也就是一片原来之厚晶圆可切割成将近三十片超薄晶圆，因此大幅地节省晶圆材料的成本。这种超薄切割技术的另外一个好处是，当物体的厚度到达那么薄的程度，材质的机械结构会变成可绕曲，所制出之成品可以不用被限制须贴附在平整的表面上。
在太阳能基板切割应用上所使用的质子刀，其采用方法和半导体的晶圆切割相同，而被切割材质则更换成太阳能基板。此种基板所制造出来的太阳能板，基板厚度为原来(200微米)的十分之一(20微米)；而因为可以绕曲，在应用到各种非平面的外墙或物体表面弹性非常大，可扩大太阳能板的应用到例如汽车之外壳等领域，大量提升绿能环保的应用范围。
