质子是一种基本粒子，是原子核的一部分。它和传统放疗所使用的X射线极为不同，二者进入物质时表示出的物理行为也大相径庭。X射线是一种电磁波，它在进入人体后立即放射出高剂量的辐射，然后其辐射剂量以指数方式降低，直到离开人体。
而质子则不然。它具有一定的穿透深度，这一深度是由其初始速度决定的。而且，质子在穿透到深处时才会放射出大辐射剂量，这个剂量的大值称为布拉格峰。在布拉格峰之后，辐射剂量急剧下降。借助计算机辅助的辐射规划系统，可以计算出质子进入人体时所需的速度，使布拉格峰的大值正好位于肿瘤中。因此，在到达肿瘤之前，质子的辐射剂量很低；而穿过肿瘤之后，健康组织不会受到辐射。在质子对肿瘤区域以外的辐射剂量显著低于光子，因而可以尽可能地保护健康组织和肿瘤周围的器官，减少副作用。
当光子辐射（蓝色曲线）进入身体时，其主要剂量会在身体表面的几厘米之内释放。在那之后，光子辐射的剂量就会急剧下降。而质子（红色曲线）的主要剂量要等到身体深处的布拉格峰处才会释放。布拉格峰的深度取决于质子进入身体时的速度。
质子治疗能显著减少放疗风险
儿童的身体对辐射极为敏感。肿瘤治疗中的一大问题就是由化疗和电离辐射（比如X射线）诱发的二次恶性肿瘤。化疗往往会在治疗后的5年内诱发血液疾病，而放疗则可能诱发实体瘤，其发病时间通常在放疗结束后10年以上。
而质子治疗可以减少健康组织中的辐射剂量，因此可以降低二次恶性肿瘤的风险。用质子治疗进行的颅脊轴放疗，其诱发二次肿瘤的风险是光子治疗的8到15分之一。
对颅内肿瘤进行放疗时，对脑组织和周围的器官进行保护尤为重要。目前的研究已经证实，颅内放疗造成的损伤，其严重程度是和辐射剂量及靶区体积相关的。如果将质子和光子辐射进行比较，质子在健康的脑组织中的辐射剂量更小，造成的负担也更少，因此可以更好地保持神经认知功能。
此外，研究表明，颅内放疗损伤的严重程度也和儿童的年龄极为相关。比如，幼年患者的大脑对辐射就尤为敏感。对5岁以下的儿童进行颅内放疗，会导致儿童智商显著下降；而在12岁以上的儿童中，颅内放疗对智商就不再有显著影响。因此，对于低龄儿童来说，质子治疗更是意义重大。
质子治疗可以更好地保护脑垂体和下丘脑，从而降低因辐射而诱导内分泌缺陷的风险。与光子治疗相比，质子治疗可以使生长激素缺乏的相对风险降低75%，甲状腺功能减退的相对风险降低85%。
