С двухатомной молекулой проблема: её вращение не классическое, а квантовое. Каждое состояние вращения - даёт некоторый вращательный уровень энергии. Распределение по этим уровням, конечно же, будет похоже на максвелловское - распределение Ферми-Дирака или Бозе-Эйнштейна
При комнатной температуре (и более высоких) квантованность вращения незаметна (заметна, собственно, только для водорода при температурах в районе 50 К). Получаются классические
на степень свободы в среднем, и, думается мне, распределение должно быть очень похоже на максвелловское.