Ein Emissionsnebel besteht aus Wolken interstellaren Gases, die Licht in verschiedenen Farben emittieren. Die Energiequelle, die den Nebel zum Leuchten bringen, sind hochenergetische Photonen, die von einem oder mehrere "heißer" Sterne in der Nähe ausgesendet werden. Das UV-Licht dieser Sterne ist für unser Auge direkt nicht sichtbar. Das UV-Licht trifft aber auf Atome des Nebels und übertragt Ennergie auf deren Atome:
1. Ionisation und Rekombination: Atomen werden durch Photonen, deren Energie oberhalb notwendigen Ionisationsenergie liegt, Elektronen entrissen. Es es entstehen dabei Ionen und freie Elektronen. Dieser Vorgang wird auch Photoionisation genannt. Die freien Elektronen können anschließend von ionisierten Atomen eingefangen werden, wobei die Elektronen ihre kinetische Energie in Form eines Photons wieder abgeben (Rekombinationsleuchten). Dabei wird sich ein eingefangenes Elektron zunächst meist auf einer höheren als der energetisch niedrigsten, nicht vollbesetzten Elektronenschale aufhalten, wodurch sich das Atom in einem angeregten Zustand befindet. Nach kurzer Zeit wird es aber auf eine niedrigere Schale springen und den Energieunterschied zwischen beiden Schalen als Photon mit charakteristischer Wellenlänge und Energie abgeben. Dies wird solange fortgesetzt, bis der Grundzustand erreicht ist, in dem zu keiner niedrigeren Schale mehr gesprungen werden kann.
2. Absorption: Ein an ein Atom gebundenes Elektron wird durch ein Photon bestimmter Energie nur auf eine höhere Elektronenschale, in einen energetisch höheren Zustand angehoben. Die Photonenenergie muss dabei genau dem Energieunterschied zwischen ursprünglicher und höherer Schale entsprechen und kann auch durch das Zusammenwirken von mehreren Photonen aufgebracht werden. Das Zurückspringen, möglicherweise in mehreren Schritten, erfolgt wie bei der Rekombination.
Diese Mechanismen bewirken, dass die Spektralanalyse von Emissionsnebeln keine reine Kontinuumstrahlung zeigt, sondern diskrete, stärkere Emissionslinien auftreten.